【摘要】 對(duì)衛(wèi)星地圖在地理信息平臺(tái)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析和介紹，論述了如何解決高精度地圖圖片的獲取、地圖圖片的修偏、柵格化和校準(zhǔn)的問(wèn)題，以及在GIS平臺(tái)上的地圖顯示的過(guò)程中檢索、顯示和加載進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解決了以往態(tài)勢(shì)地圖平臺(tái)中電子地圖獲取困難或更新不及時(shí)的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 Google Map 瓦片式 地理信息系統(tǒng) 勢(shì)態(tài)地圖

一、引言

目前態(tài)勢(shì)指揮系統(tǒng)的地圖平臺(tái)大多采用基于GIS的數(shù)字柵格地圖，其中地圖主要來(lái)源于測(cè)繪部門繪制的矢量地圖或根據(jù)現(xiàn)有紙質(zhì)、膠片等地形圖經(jīng)過(guò)掃描和糾偏后制作而成。這兩種方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)字柵格地圖，存在著地圖信息更新慢、顯示效果單一、精度低的缺點(diǎn)。而目前網(wǎng)絡(luò)上流行的多種導(dǎo)航和地理信息顯示系統(tǒng)普遍采用了高精度衛(wèi)星地圖的顯示方式，尤其是以Google Map為代表的高精度衛(wèi)星地圖，不僅地理信息全，更新快，且精度高（民用級(jí)即可到米級(jí)）。但這種方式在態(tài)勢(shì)指揮系統(tǒng)中應(yīng)用也存在困難：需要開(kāi)發(fā)者使用Google Map提供的API開(kāi)發(fā)接口，采用其提供的開(kāi)發(fā)規(guī)則，而且需要連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)獲取地圖，Google Map采用的瓦片式技術(shù)與傳統(tǒng)的GIS平臺(tái)很難融合。

本文介紹的基于Google Map地圖的態(tài)勢(shì)地圖平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，不僅可以保留原有GIS架構(gòu)體制，又能結(jié)合Google Map的瓦片式技術(shù)使地圖圖元快速高效的在態(tài)勢(shì)平臺(tái)上得到應(yīng)用。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

考慮到平臺(tái)的通用性，本系統(tǒng)的地理信息平臺(tái)采用商用MapInfo地理信息平臺(tái)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理主要包含以下幾個(gè)部分：首先根據(jù)Google Map采用的金字塔型瓦片式技術(shù)架構(gòu)（地圖層級(jí)按清晰度從1級(jí)到22級(jí)），根據(jù)其地圖坐標(biāo)影射方式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度范圍的地圖的網(wǎng)絡(luò)URL地址，從而從Google地圖服務(wù)器中獲取海量地圖圖元文件；然后將海量的圖元文件進(jìn)行經(jīng)緯度修偏；同時(shí)根據(jù)MapInfo的校準(zhǔn)方式設(shè)計(jì)相應(yīng)的校準(zhǔn)軟件自動(dòng)對(duì)地圖進(jìn)行柵格化并生成映射文件；并且根據(jù)MapInfo地圖平臺(tái)多層級(jí)矢量化的特點(diǎn)，將縮放比例與Google Map的金字塔型層級(jí)地圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)，當(dāng)?shù)貓D的縮放比例滿足映射關(guān)系即顯示該層級(jí)的柵格化地圖；由于每個(gè)層級(jí)的地圖圖元文件數(shù)量非常巨大，完全顯示將會(huì)使系統(tǒng)效率變得很低影響其他用戶功能的實(shí)現(xiàn)，因此平臺(tái)會(huì)自動(dòng)獲取顯示器當(dāng)前顯示的地理范圍，自動(dòng)檢索相應(yīng)的圖元文件并進(jìn)行顯示；最后在地理信息平臺(tái)上將道路信息、用戶目標(biāo)信息、各類狀態(tài)效果信息以及地理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行多層級(jí)融合。其主要流程如圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖所示。

三、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)分為平臺(tái)層、信息支撐層、應(yīng)用層三層級(jí)結(jié)構(gòu)。其中平臺(tái)支撐層由地理信息支撐系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成；信息支撐層由多種數(shù)據(jù)信息組成包括衛(wèi)星圖片信息、地理信息、地理校準(zhǔn)信息、地圖柵格化信息、用戶信息、圖元模型信息、用戶標(biāo)繪信息、圖層信息等；應(yīng)用層由態(tài)勢(shì)繪制模塊、地圖調(diào)度模塊、顯示控制模塊、層級(jí)控制模塊、信息管理模塊、標(biāo)準(zhǔn)管理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊等組成。如圖2所示。

四、金字塔型瓦片式衛(wèi)星地圖獲取原理

所謂的金字塔型瓦片衛(wèi)星地圖，是Google Map的地圖文件建立與保存檢索的方法。金字塔方式是Google Map采用了墨卡托投影方式，即為等角圓柱地球投影，但是其將兩極85度以上的地球投影部分切除，形成東西南北相等的正方形，并將此投影作為金字塔最頂端，根據(jù)顯示的精度不同分為了22個(gè)層級(jí)；瓦片式即Google Map所有圖片均由分辨率大小256*256 的jpg圖片無(wú)縫拼接而成，每提高一個(gè)等級(jí)，單個(gè)圖片都將裂變?yōu)?張小圖片，如圖3所示。

Google Map為每張圖片根據(jù)金字塔的層級(jí)和瓦片裂變的位置都有專用的LRU地址，每塊圖片的URL格式為http：// kh.google.com/kh？v=3t=trstrq”樣。參數(shù)v與圖片關(guān)系不大，主要是參數(shù)t起作用，它是“qrst”4個(gè)字符排列而成的字符串。為獲取某經(jīng)緯度的URL，就需要把經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為“qrst”字符串。Google衛(wèi)星地圖在zoom=1時(shí)，全球就為一個(gè)256x256的圖片，它的中心經(jīng)緯度為（0，0），URL為“http：//kh.google. com/kh？v=3t=t”。zoom=2時(shí)裂化為4塊，每塊的編號(hào)為：左上“t=tq”，右上“t=tr”，右下“t=ts”，左下“t=tt”。依此類推，每放大一倍，每一小塊都裂分為四，從左上到右下順時(shí)針按qrst編號(hào)，裂分后的編碼為裂分前的編號(hào)上小塊的編號(hào)。

Google Map 中定義的比例尺與傳統(tǒng)意義定義的比例尺不同，所定義的是單位像素所代表的距離值。在初始等級(jí)時(shí)的比例尺為：40075016.685578488/256=156543.033928041（米/像素）。地圖放大一個(gè)級(jí)別后原來(lái)256*256 的圖片將變成4 張256*256 的圖片。這時(shí)比例尺為：40075016.685578488/5 12=78271.51696402（米/像素）。以此類推各層級(jí)比例尺如表1所示。

系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算出所有用戶設(shè)定區(qū)域內(nèi)的經(jīng)緯度信息從Google Map地圖服務(wù)器中獲取相關(guān)瓦片圖元并根據(jù)層級(jí)自動(dòng)保存下來(lái)。

五、海量地圖的修偏與柵格化

由于地圖映射后轉(zhuǎn)換的偏差以及Google公司對(duì)本身資源的保護(hù)會(huì)在不同區(qū)域設(shè)置一定的地理偏差，因此需要在GIS平臺(tái)中建立修偏數(shù)據(jù)庫(kù)并形成柵格化圖層，載入各地點(diǎn)位的修編地標(biāo)與衛(wèi)星地圖圖層進(jìn)行對(duì)接與修偏保證地圖顯示的準(zhǔn)確性。同時(shí)由于地圖圖片是jpg格式，如果要載入GIS平臺(tái)首先必須要將地圖進(jìn)行柵格化處理。

海量下載的地圖圖片是jpg格式，如果要載入GIS平臺(tái)首先需要將地圖柵格化。由于Google Map下載的圖元文件數(shù)量非常巨大，普通中等城市的圖元文件會(huì)有幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)張量級(jí)。人工進(jìn)行地圖的修偏和柵格化顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此必須實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的自動(dòng)修偏和柵格化。

系統(tǒng)在計(jì)算瓦片地圖文件URL地址的過(guò)程中自動(dòng)將獲取的地圖文件名保存為“qrst”裂分規(guī)則文件名，因此在柵格化的過(guò)程中系統(tǒng)根據(jù)不同地圖層級(jí)對(duì)256*256的地圖圖片逐一進(jìn)行檢索，根據(jù)文件名中的“qrst”規(guī)則倒推出該圖片的經(jīng)緯度信息，并且根據(jù)該層級(jí)比例尺計(jì)算出該圖片的實(shí)際顯示面積，獲取圖片4個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，即（1，1）（1，256）（256，1）（256，256）4個(gè)像素坐標(biāo)值，根據(jù)MapInfo校準(zhǔn)文件規(guī)則自動(dòng)生成校準(zhǔn)文件，當(dāng)然在校準(zhǔn)的過(guò)程中，還需要根據(jù)圖片的經(jīng)緯度值從修編數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出該經(jīng)緯度的偏差值進(jìn)行經(jīng)緯度補(bǔ)償才能準(zhǔn)確的完成地圖的柵格化。其生成的柵格化文件及瀏覽界面如圖5所示。

六、地圖縮放比例與圖層切換的無(wú)縫銜接

由于MapInfo平臺(tái)采用的柵格化矢量地圖平臺(tái)采用的是“無(wú)級(jí)化”縮放控制，即用戶可以任意調(diào)整地圖當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)比例尺，如果用戶使用地圖的放大或縮小功能，地圖將根據(jù)用戶的操作及當(dāng)前地圖顯示的范圍自動(dòng)控制縮放比例已達(dá)到較好的顯示效果。

而使用瓦片式架構(gòu)的衛(wèi)星柵格化地圖對(duì)于縮放比例與地圖層級(jí)的控制非常重要，也是顯示效果好壞的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)槊恳伙@示層級(jí)圖片使用固定的比例尺，由于兩個(gè)層級(jí)間的比例差，如果將用戶的縮放功能和Google的比例尺綁定即只有1-22級(jí)縮放比例，圖層的縮放會(huì)失去原有GIS平臺(tái)“無(wú)級(jí)化”的優(yōu)勢(shì)，地圖在層級(jí)見(jiàn)且歡的過(guò)程中會(huì)給用戶帶來(lái)突變的感覺(jué)，同時(shí)固定的比例尺對(duì)其他圖層圖元信息的顯示會(huì)帶來(lái)顆粒度不一致的問(wèn)題。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在兩層級(jí)間采用GIS的“無(wú)級(jí)化”縮放，當(dāng)比例尺跨越更高或更低層級(jí)后才進(jìn)行圖層圖片切換，并且隱藏原有層級(jí)圖片。在這一切換技術(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在一個(gè)突出的問(wèn)題，即在不同區(qū)域擁有的衛(wèi)星地圖圖片的精度不同，因此會(huì)帶來(lái)再某一層級(jí)顯示的過(guò)程中會(huì)有某些區(qū)域無(wú)該精度地圖，導(dǎo)致地圖“留白”。這就需要在檢索不同縮放比例地圖時(shí)，遇到無(wú)該精度柵格圖片的情況下向上或向下檢索，使用不同層級(jí)的圖片縮放后差級(jí)顯示。

七、顯示區(qū)域地圖的自動(dòng)檢索

當(dāng)用戶在GIS平臺(tái)中確定顯示的地理中心，或者進(jìn)行移動(dòng)、放大、縮小等操作后，系統(tǒng)需要檢索出當(dāng)前需要顯示的地圖圖層和區(qū)域已滿足操作員的顯示需要。而載入的圖片多少直接關(guān)系到系統(tǒng)資源的占用度，為了提高顯示效率，系統(tǒng)僅僅需要顯示當(dāng)前顯示器所覆蓋的地圖區(qū)域即能滿足用戶使用的需要，并且根據(jù)不同的顯示分辨率進(jìn)行自動(dòng)匹配。

因此系統(tǒng)首先通過(guò)GetZoom（）函數(shù)獲取當(dāng)前地圖平臺(tái)的顯示比例尺，同時(shí)通過(guò)GetWindowSize（）函數(shù)獲取當(dāng)前顯示區(qū)域的像素值，并且根據(jù)顯示比例尺換算出顯示區(qū)域的經(jīng)緯度面積，再根據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星地圖層級(jí)檢索出需要顯示的地圖圖元信息逐一載入。

如果地圖采用的是移動(dòng)、放大、縮小等操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二級(jí)緩沖機(jī)制，將需要顯示的地圖優(yōu)先顯示后再將區(qū)域外的地圖推出，使地圖顯示無(wú)閃爍或跳變感。

八、圖元的多層級(jí)融合

由于衛(wèi)星地圖顯示的僅僅是地理信息，當(dāng)系統(tǒng)需要實(shí)際使用中，還必須加載地圖上的道路圖、關(guān)鍵地名以及用戶需要的各類圖元信息。這就需要將數(shù)據(jù)庫(kù)與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行綁定，載入用戶信息圖元?；蛘咴贛apInfo平臺(tái)下使用EXCEL或TXT的文件格式將圖元地理信息載入后生成圖層文件加載到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多層級(jí)信息的顯示，如圖6所示。

九、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Google Map的態(tài)勢(shì)地圖平臺(tái)，解決了衛(wèi)星地圖在GIS平臺(tái)應(yīng)用中關(guān)于地圖圖元獲取、海量圖元文件修偏、校準(zhǔn)、檢索、層間融合等一系列技術(shù)問(wèn)題。并且很好的應(yīng)對(duì)了在態(tài)勢(shì)指揮系統(tǒng)中電子地圖獲取困難和更新慢問(wèn)題，在各類地理信息系統(tǒng)有在良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 高皓亮.基于Google Map的空間數(shù)據(jù)整合技術(shù).上海：華東師范大學(xué)，2000

[2] 崔金紅等.Google地圖算法研究及實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)科學(xué)，2007.