張方舟，王學宇，肖慧璁，謝會敏，崔 卓

(東北石油大學 計算機與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163318)

城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)地圖緩存技術(shù)研究與優(yōu)化

張方舟，王學宇，肖慧璁，謝會敏，崔 卓

(東北石油大學 計算機與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163318)

城市地下管網(wǎng)隨著城市的建設(shè)日趨復(fù)雜，地下管網(wǎng)在城市的正常運轉(zhuǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。城市管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)有效地解決了復(fù)雜管網(wǎng)規(guī)模下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織和有效管理。地理信息系統(tǒng)與Internet結(jié)合形成的WebGIS，使越來越多的人能輕松獲取地理信息數(shù)據(jù)，隨著網(wǎng)絡(luò)地圖并發(fā)訪問量的增加，對地圖服務(wù)的性能要求也越來越高。網(wǎng)絡(luò)地圖緩存技術(shù)作為提升服務(wù)器與客戶端間交互效率的重要措施，也成為地圖服務(wù)方向研究的熱點問題。針對地圖緩存技術(shù)中的地圖切片規(guī)則、切片編碼、切片組織和存儲、切片索引等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。歸納總結(jié)了一種電子地圖切片方法，編程實現(xiàn)了城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)和地圖切片程序。通過系統(tǒng)測試表明，地圖緩存技術(shù)的應(yīng)用在解決系統(tǒng)響應(yīng)時間上具有明顯的優(yōu)化作用。

城市管網(wǎng)；WebGIS；地圖緩存技術(shù)；地圖切片

0 引 言

隨著城市的快速發(fā)展，城市地下管網(wǎng)的建設(shè)無論從種類還是數(shù)量都得到了極大的豐富。城市地下管網(wǎng)在保證城市日常運轉(zhuǎn)中起到了至關(guān)重要的作用。如何處理好地下管網(wǎng)的日常運行維護管理工作，保障居民生產(chǎn)生活，對于城市建設(shè)具有重要意義。管理者需要及時準確地了解城市地下管網(wǎng)的位置信息和屬性信息。傳統(tǒng)方式為人們在工程圖紙上繪制管網(wǎng)信息，指導(dǎo)管網(wǎng)項目的規(guī)劃，存儲紙質(zhì)圖紙和管網(wǎng)信息材料。但紙質(zhì)材料無論在檢索還是保存上都滿足不了城市管網(wǎng)發(fā)展的需要。城市地理信息系統(tǒng)很好地解決了此問題，使得城市地下管網(wǎng)管理更加數(shù)字化、信息化、現(xiàn)代化[1]。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)以一種計算機系統(tǒng)的形式對地理數(shù)據(jù)進行管理，包括信息輸入、信息存儲、信息查詢、信息分析和信息顯示。地理信息系統(tǒng)與地理學、地圖學、遙感和計算機相結(jié)合，可以應(yīng)用到城市地下管網(wǎng)的管理中。作為地理信息系統(tǒng)的一個種類，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web-GIS)是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，通過二者的結(jié)合，GIS的功能得到了擴展，使得GIS的應(yīng)用更加廣泛[2]。通過互聯(lián)網(wǎng)的形式，網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點都可以通過瀏覽器訪問到WebGIS站點內(nèi)的空間數(shù)據(jù)，在大量地理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上繪制地圖，瀏覽地圖，查詢信息，甚至可以進行空間的檢索和分析，讓GIS大眾化。但WebGIS具有一定的局限性，響應(yīng)速度和用戶的交互往往受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器開銷等因素的影響。地圖緩存技術(shù)的出現(xiàn)給WebGIS的發(fā)展帶來了實質(zhì)性的改變。國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)提供商如Google Map、百度地圖、搜狗地圖等均采用地圖緩存技術(shù)實現(xiàn)地圖的快速響應(yīng)、地圖快速瀏覽、信息快速查詢[3]。

文中在研究地圖緩存技術(shù)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了一種電子地圖切片方法，并將該方法運用到城市地下管網(wǎng)項目中。

1 地圖緩存技術(shù)

提高地圖訪問效率的方法有很多種，例如在系統(tǒng)中構(gòu)建高效的空間數(shù)據(jù)庫、優(yōu)化屬性信息的查詢、屬性信息分級顯示等方面。Google提出的地圖切片技術(shù)是對傳統(tǒng)WebGIS架構(gòu)的一種突破，以地圖切片(Map Tile)即緩存圖片的概念應(yīng)用到地理信息系統(tǒng)中，這種以空間換取用戶瀏覽時間的方式能夠高效解決網(wǎng)絡(luò)帶寬限制、網(wǎng)絡(luò)負載和延遲[4]。使用戶下一步請求可以在緩存文件和服務(wù)器同時進行訪問，降低了磁盤訪問的次數(shù)，提高了用戶對WebGIS系統(tǒng)的使用效率。

地圖緩存技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)訪問效率的最有效技術(shù)之一，它能解決網(wǎng)絡(luò)帶寬限制和服務(wù)器開銷對瀏覽速度影響的問題。其關(guān)鍵思想就是利用一定的數(shù)學規(guī)則，將制作好的數(shù)字地圖文件在某幾個或十幾個特定的比例尺下以圖片的形式進行切片。稱這些地圖圖片為地圖切片，這些形成的切片文件會依據(jù)比例尺和切片的規(guī)則進行有序的編碼。通過地圖切片組織模型將地圖切片存放在數(shù)據(jù)庫或文件夾內(nèi)。當客戶端向服務(wù)器發(fā)送地圖服務(wù)請求時，服務(wù)器會根據(jù)請求中的特定參數(shù)，找到服務(wù)器中相對應(yīng)的地圖切片。服務(wù)器返回給客戶端的地圖切片會拼接成用戶請求瀏覽的區(qū)域[5]。

地圖緩存技術(shù)的優(yōu)點就是使用靜態(tài)地圖切片替代動態(tài)生成的地圖區(qū)域，應(yīng)用地圖緩存技術(shù)高質(zhì)量的地圖切片不但保證了地圖顯示的效果還縮短了動態(tài)顯示復(fù)雜地圖所花費的時間。但地圖緩存技術(shù)也受到地圖切片切片時間長、地圖切片數(shù)據(jù)占用存儲空間大的限制。因此地圖切片技術(shù)適用于地圖數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定、短時期不變的地圖服務(wù)。

地圖服務(wù)的廣泛應(yīng)用使得地圖緩存技術(shù)的發(fā)展更加細化，主要研究的方向涉及地圖緩存的策略，分為融合緩存、多圖層緩存和按需緩存[5-6]。地圖切片切圖方法，包括不同的切片算法、不同的圖片格式、切片大小、縮放級數(shù)、比例尺和空間參考坐標系統(tǒng)。還有地圖切片目錄組織模型、地圖切片的存儲和地圖切片的數(shù)據(jù)更新。

2 地圖切片方法

2.1 地圖切片流程

地圖切片技術(shù)的核心就是按照一定的數(shù)學規(guī)則，把地圖按照預(yù)先設(shè)定好的比例尺進行切片，切割好的地圖圖片集合分別以不同的比例尺存放在服務(wù)器中[7]。用戶在客戶端平移和縮放操作地圖時調(diào)用服務(wù)器內(nèi)的地圖切片，取代了動態(tài)制圖請求帶來的服務(wù)器開銷?？蛻舳说恼埱髱в形恢脜?shù)，服務(wù)器根據(jù)位置參數(shù)返回相應(yīng)的地圖切片集，提升地圖瀏覽的速度。不同范圍和應(yīng)用的地圖切片是不同的。為了保證地圖文件切分后的圖片滿足服務(wù)器傳輸高效、客戶端拼接和地圖顯示等要求，在地圖切片過程中必須為切片定義相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)。切割的地圖文檔是基于ArcMap制作的電子地圖即為.Mxd文件。作為ArcGIS的重要桌面組件之一，ArcMap可支持多數(shù)據(jù)源的輸入、編輯、查詢、分析等功能。應(yīng)用其制圖，可實現(xiàn)多圖層的疊加，設(shè)置圖例、可見范圍、比例尺等。

地圖切片的流程如圖1所示。

預(yù)先制作好地圖文件，確定地圖文件內(nèi)的地理坐標范圍，設(shè)置地圖切片的尺寸和格式、設(shè)定縮放級別。將此范圍內(nèi)的地圖輸出為規(guī)則大小的地圖切片。保存到指定的目錄文件[8]。根據(jù)圖1流程由地圖比例尺的最小級別開始切割逐級縮放循環(huán)執(zhí)行以上步驟，直至地圖的最大比例尺，地圖切片完畢[9]。相鄰兩個比例尺大小是1∶2，切片的數(shù)量是1∶4。這種建立在區(qū)域循環(huán)分解上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合四叉樹結(jié)構(gòu)的思想，四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在GIS領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。地圖切割后的圖片成為地圖緩存，地圖切片依據(jù)命名和邏輯位置進行存儲和檢索。

2.2 切片規(guī)則

(1)切片空間范圍。

切片地圖地理范圍是由規(guī)則的矩形構(gòu)成，切片過程就是將大矩形切割成相等大小的地圖切片[10]。切片的空間表示如圖2所示。需要切割的地理空間范圍在此坐標軸上由(TileMatrixMinX，TileMatrixMaxY)，(TileMatrixMinX，TileMatrixMinY)，(TileMatrixMaxX，TileMatrixMinY)，(TileMatrixMaxX，TileMatrixMaxY)四個點組成。每張地圖切片(TileMatrix)都具有列編碼(TileCol)、行編碼(TileRow)，切片長度(TileHeight)、切片寬度(TileWidth)，以像素為單位[11]。

圖2 切片空間范圍

(2)比例尺、縮放等級、地圖分辨率。

電子地圖不同于紙質(zhì)地圖固定的比例尺，它是在已知原始地理信息數(shù)據(jù)的情況下，創(chuàng)建足夠多的離散的縮放級別。比例尺從小到大，展示的信息從宏觀到細微，整個地理信息就呈現(xiàn)給用戶瀏覽。地圖的縮放級別與比例尺一一對應(yīng)。用戶通過瀏覽器請求地圖區(qū)域時，需要計算此區(qū)域的屏幕坐標所換算的地理空間范圍坐標，根據(jù)地理空間范圍坐標找到此縮放級別下對應(yīng)的地圖切片編碼，再通過客戶端技術(shù)無縫拼接出地圖區(qū)域呈現(xiàn)在計算機屏幕上。

地圖縮放級別的分辨率(Resolution)，是指某縮放級別每個像素代表的實際距離；比例尺(Scale)，是指某縮放級別地圖上一米代表的實際距離；屏幕分辨率(Screen Resolution)即為Sr；長度轉(zhuǎn)換單位(Meters per inch)即為Mpi，1英寸(in)=0.025 4米(m)；地圖比例尺與地圖縮放級別的分辨率的關(guān)系：Scale=Resolution×每米的像素個數(shù)；地圖的縮放等級從0到N(N≥1)，相鄰縮放級別地圖切片為前一級的四倍；地圖比例尺與地圖分辨率換算公式為：

Scale=Resolution×Sr/Mpi

(1)

屏幕構(gòu)成的矩形區(qū)域分別由(WinMinX，WinMinY)(左上角坐標)，(WinMinX，WinMaxY)(左下角坐標)，(WinMaxX，WinMaxY)(右下角坐標)，(WinMaxX，WinMinY)(右上角坐標)四個點組成。屏幕左上角坐標通常為(0，0)，屏幕像素坐標為(X,Y)。已知請求區(qū)域的屏幕坐標，則對應(yīng)的地理空間范圍中任意一點可由式(2)和式(3)計算得：

TileMatrixX=TileMatrixMinX+(X-WinMinX)×Resolution

(2)

TileMatrixY=TileMatrixMaxY+(Y-WinMinY)×Resolution

(3)

同時可以根據(jù)地理空間坐標和上式反算出對應(yīng)屏幕坐標。

(3)地圖切片大小和格式。

地圖切片的尺寸和格式會影響客戶端地圖請求的拼接和顯示。依據(jù)切片空間范圍圖可知地圖切片是規(guī)則的矩形圖片，切片長度(TileHeight)、切片寬度(TileWidth)構(gòu)成矩形圖片的長度和寬度。常用的地圖切片格式有JPEG和PNG兩種。其中PNG圖片又根據(jù)其透明度和色度分為PNG8、PNG24、PNG32三種格式。通過表1對圖片格式的比較，選擇地圖切片保存為PNG32格式，滿足地圖切片壓縮質(zhì)量、瀏覽器兼容等條件，達到地圖顯示的良好效果。

表1 圖片切片格式屬性比較

2.3 切片方法

算法中就是要換算在某一比例尺下，一張定義好尺寸和格式的地圖切片所能表示的地理空間范圍，或是要切割地理空間范圍對應(yīng)多少張地圖切片及它們的編碼問題。在給出換算公式前，預(yù)先定義一些參數(shù)項。

縮放級別為N，地圖切片列號為C[N]，行號為R[N]，地理范圍如圖2中的參數(shù)，設(shè)第0級縮放下地圖切片列數(shù)為C[0]，行數(shù)為R[0]。

則此縮放級N下每塊切片表示的橫向?qū)嶋H距離和縱向?qū)嶋H距離分別如式(4)和式(5)所示：

DX=(TileMatrixMaxX-TileMatrixMinX)/ (2N-1×R[0])

(4)

DY=(TileMatrixMaxY-TileMatrixMinY)/ (2N-1×C[0])

(5)

此切片的地理坐標計算公式如下：

TMinX=TileMatrixMinX+C[N]×DX

(6)

TMaxX=TileMatrixMinX+C[N+1]×DX

(7)

TMinY=TileMatrixMaxY-R[N]×DY

(8)

TMaxY=TileMatrixMaxY-R[N+1]×DY

(9)

客戶端發(fā)送請求，參數(shù)包含瀏覽地圖區(qū)域的地理范圍、縮放級別等。程序依據(jù)以上公式計算請求的地理坐標范圍所對應(yīng)的當前縮放級別文件夾內(nèi)的切片行號和列號。服務(wù)器響應(yīng)并返回地圖切片文件給客戶端。通過地理范圍坐標與屏幕范圍坐標互算，客戶端進行無縫拼接，拼出瀏覽的地圖區(qū)域。

2.4 地圖切片目錄組織和存儲

由于采用地圖切片技術(shù)，地圖切片的數(shù)量會隨著地圖比例尺的變化呈現(xiàn)幾何增長。因此，地圖切片的編碼和地圖切片目錄組織管理勢必影響地圖切片技術(shù)的效率。地圖切片的命名由三部分信息組成，分別是當前地圖的縮放級別、此切片的列號、切片的行號。由上文定義參數(shù)可得任意一張切片命名為N_R[N]_C[N][12]。切片目錄組織中所有地圖切片文件存放文件夾MapTile中，依次是不同縮放級別的文件夾，然后是以行號R[N]命名的文件夾，這樣在同一個葉文件夾內(nèi)地圖切片會按照列號排序。利用地圖切片邏輯上的位置進行規(guī)范化的命名便于地圖切片的查找。

地圖切片存儲在文件系統(tǒng)中，以文件系統(tǒng)的方式直接存儲和調(diào)用地圖切片。在對地圖切片進行切割時，就已經(jīng)為地圖切片在操作系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)建了相對應(yīng)的文件目錄和路徑?？梢酝ㄟ^不同比例尺下的文件路徑直接訪問地圖切片，無需額外建立空間索引。這種方式的好處就是提高了地圖服務(wù)調(diào)用地圖切片的效率。數(shù)據(jù)庫存儲地圖切片時，其自身訪問的瓶頸會影響到獲取地圖切片的效率，而且地圖圖片不需要屬性的查詢和歸類，操作系統(tǒng)中的文件管理更適合服務(wù)器上地圖切片的存儲。

3 技術(shù)應(yīng)用與測試

3.1 技術(shù)應(yīng)用

技術(shù)應(yīng)用的實例為城市地下管網(wǎng)的WebGIS系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ArcGIS Engine 9.3開發(fā)組件和C#語言分別對原型系統(tǒng)和切圖程序編程實現(xiàn)[13]。城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)中包含海量的基礎(chǔ)地理信息和帶有屬性的地面綜合、管線、管點信息。地面綜合信息包含一些綜合建筑和住宅，管線信息包含供熱管線、供水管線、污水管線、雨水管線和清水管線。管點信息包含閥門、閥井和站點等，絕大部分數(shù)據(jù)不會頻繁更新。此系統(tǒng)屬于典型的WebGIS系統(tǒng)，具有基本的地圖操作功能，如平移和縮放、查詢屬性信息、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管線分析功能[14]。采用地圖緩存技術(shù)，用戶并發(fā)訪問地圖加載速度變快，系統(tǒng)的使用性能得到了很大提升。

3.2 系統(tǒng)測試與分析

測試主要是為了檢驗采用地圖緩存技術(shù)能否給城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)性能帶來提升，即在不同縮放級別下系統(tǒng)平均響應(yīng)的時間和并發(fā)訪問的情況下系統(tǒng)平均響應(yīng)的時間的前后對比[15]。

測試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為油田內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器端的配置為Intel(R) Xeon(R) CPU E7-4850 v2 @ 2.30 GHz 2.29 GHz 處理器，16 GB安裝內(nèi)存(RAM)，2 TB硬盤，客戶端選取三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機器PC1、PC2、PC3，配置分別為AMD Athlon(tm) Ⅱ X2 220 Processor 2.81 GHz，2 GB內(nèi)存，750 GB硬盤，Pentium(R) Dual-Core CPU E5200 @ 2.50 GHz 2.50 GHz，1 GB內(nèi)存，500 GB硬盤和Intel(R) Core(TM) i5-3470 CPU @ 3.20 GHz 3.20 GHz，4.00 GB內(nèi)存，1 TB硬盤。表2為使用緩存技術(shù)后地圖加載時間比較表。

從表2的測試數(shù)據(jù)可以分析得出：客戶端配置對地圖加載時間的影響較小；使用地圖緩存技術(shù)后，隨著區(qū)域增大地圖數(shù)據(jù)量增大，客戶端加載地圖服務(wù)的響應(yīng)時間明顯縮短了。

進一步對地圖比例尺固定時用戶并發(fā)訪問服務(wù)器地圖響應(yīng)的平均時間進行測試。在固定區(qū)域并發(fā)訪問數(shù)不斷增加時對系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間進行測試，如圖3所示。

表2 使用緩存技術(shù)前后地圖加載時間比較表

圖3 并發(fā)訪問數(shù)與平均響應(yīng)時間前后對比圖

從圖中數(shù)據(jù)分析得出：采用地圖緩存技術(shù)后，服務(wù)器處理請求、響應(yīng)請求的時間明顯縮短了。地圖緩存技術(shù)有效解決了并發(fā)訪問下網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和服務(wù)器開銷的限制。

4 結(jié)束語

文中在對地圖緩存技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，針對其網(wǎng)絡(luò)地圖切片規(guī)則、切片方法、切片編碼、切片組織和存儲等關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。歸納總結(jié)出了一種地圖切片方法，由地理空間范圍計算地圖切片的行列號；由屏幕坐標和請求地理空間范圍坐標互算得出地圖切片顯示的位置?；贑#編程語言和ArcGIS Engine 9.3組件，將此方法應(yīng)用到切圖程序中。通過城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)和測試分析得出，地圖緩存技術(shù)能夠提升用戶對網(wǎng)絡(luò)地圖的體驗。

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Research and Optimization of Map Caching Technology in Urban Underground Pipe Network System

ZHANG Fang-zhou,WANG Xue-yu,XIAO Hui-cong,XIE Hui-min,CUI Zhuo

(College of Computer and Information Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Urban underground pipe network is becoming more complex with the city’s construction,and it plays a vital role in the normal operation of the city.The urban pipe network geographic information system can effectively solve the organization and effective management of the network data under the complex pipe network.WebGIS that is formed by combining geographic information systems with the Internet lets more and more people have easy access to geographic information data.With increase of the network map concurrent views,the request of map service performance is also becoming higher and higher.As an important measure to improve the efficiency of interaction between server and client,network map caching technology has become a hot issue in map service orientation.The map cache technology in the map of the rules,the slice of encoding,slicing organization and storage,slice index and other key technologies have been studied.An electronic map slicing method is summarized.Urban underground pipe network system and map slicing program are realized by programming.The application of map cache technology is proved to have a significant optimization on the response time of the system.

urban pipe network；WebGIS；map cache technology；map slicing

2016-01-15

2016-04-20

時間：2016-10-24

國家自然科學基金資助項目(61402099);中國石油天然氣集團公司重大專項(2013E-38-09)

張方舟(1973-)，男，博士，教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)安全;王學宇(1990-)，男，碩士，研究方向為軟件工程。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161024.1113.022.html

TP39

A

1673-629X(2016)11-0148-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.11.033