曹建成，王 凱，郭朝陽

(國家測繪地理信息局陜西基礎地理信息中心, 陜西 西安 710054)

天地圖客戶端自助制圖技術研究

曹建成，王 凱，郭朝陽

(國家測繪地理信息局陜西基礎地理信息中心, 陜西 西安 710054)

分析了當前天地圖在應用服務模式方面存在的不足，提出了通過在線制圖技術實現(xiàn)客戶端自助制圖的方法，分析了常用在線制圖技術的特點，對客戶端在線制圖的相關技術進行了研究，并開發(fā)了原型系統(tǒng)。試驗證明，客戶端自助制圖能夠有效擴充天地圖的服務模式。

天地圖；自助制圖；客戶端；在線

經過幾年的建設，天地圖的建設規(guī)模不斷擴大，服務能力持續(xù)增強，為重大工程、專業(yè)應用、企業(yè)增值、百姓生活提供了有效的服務支撐。目前，天地圖主要包括兩種服務方式：一是直接訪問方式，即用戶使用瀏覽器通過網絡(互聯(lián)網、政務外網)直接訪問天地圖，進行地圖瀏覽、地名地址搜索、距離和面積量算、點線面標繪、公交查詢、駕車規(guī)劃、用戶標注及糾錯、屏幕截圖打印等操作；二是在線調用方式，通過基于天地圖提供的二次開發(fā)套件，在線調用天地圖的各類地理信息資源，實現(xiàn)地理信息增值業(yè)務應用服務。

但是，隨著地理信息逐步在企業(yè)、公眾應用領域的拓展，人們的注意力也正從關注地理信息數(shù)據(jù)生產加工、數(shù)據(jù)獲取向關注應用效果、用戶體驗方面轉移，應用方式也從單一固化的模式向多平臺、多渠道轉變。而目前天地圖提供的服務模式已經無法完全滿足用戶的多樣化需求：對于部分行業(yè)部門而言，如衛(wèi)生、教育等部門，由于缺乏空間數(shù)據(jù)，以及對GIS開發(fā)技術積累不足，很難在業(yè)務系統(tǒng)中嵌入GIS功能，而他們對地理信息數(shù)據(jù)精度的要求不高，往往一張政務電子地圖和一般通用的GIS功能就可以滿足需求，目前的服務模式對于此類用戶太復雜；對于社會公眾而言，公眾對基于空間信息創(chuàng)建應用的熱情持續(xù)高漲[1-2]，但在應用搭建的過程中也面臨著諸多問題，開發(fā)業(yè)務系統(tǒng)代價太大，而直接基于天地圖網站則由于用戶交互簡單[3]而難以完成相關業(yè)務，在一定程度上限制了GIS應用的快速普及和發(fā)展。在天地圖全方位、多層次推進的現(xiàn)階段，如何幫助這些用戶降低GIS應用技術門檻，為用戶提供更多的自助服務，是亟待解決的核心問題，也是天地圖在未來發(fā)展中更具生機和活力的關鍵。

本文對當前網絡在線制圖技術進行分析，提出讓用戶在客戶端自助制圖的技術路線，對客戶端自助制圖的相關關鍵技術進行研究，并開發(fā)基于天地圖的客戶端自助制圖原型系統(tǒng)。

一、常用在線制圖方法

地圖制圖是在地圖數(shù)據(jù)模型的基礎上，根據(jù)用戶應用需求進行地圖符號化繪制的過程。在線制圖就是在傳統(tǒng)的單機、桌面制圖以外，借助網絡環(huán)境實現(xiàn)網絡在線地圖制圖，是一個復雜的交互過程[4]。從當前網絡在線制圖的實現(xiàn)技術來說，主要包括服務端制圖和客戶端制圖兩種方法。

1. 服務端制圖

服務端制圖，顧名思義就是地圖在服務器端生成[5]。服務端制圖是在制圖數(shù)據(jù)的基礎上，基于服務端地圖符號化引擎，將制作好的專題地圖以圖片形式傳遞至客戶端進行展示[6]。服務端制圖的基本框架如圖1所示。

服務端制圖由數(shù)據(jù)支撐層、基礎引擎層、地圖渲染層、地圖服務層和客戶端應用層組成。數(shù)據(jù)支撐層包括專題數(shù)據(jù)、制圖樣式、符號及用戶自定義的制圖規(guī)則，為地圖制圖提供數(shù)據(jù)；基礎引擎層包括地圖組件、圖表組件和地圖渲染組件，是地圖制圖的基礎；地圖渲染層按照用戶的地圖表達要求，在基礎引擎層的基礎上，生成各類專題地圖及相關的地圖屬性；地圖服務層將渲染的結果以標準服務形式(包括地圖圖片、地圖屬性等信息)傳遞至客戶端；客戶端應用層接收服務端的各類成果，實現(xiàn)在線地圖的展示。

圖1 服務端制圖框架

由圖1可以看出，服務端制圖的主體工作都在服務端進行，其制圖能力由服務端的渲染能力決定，能夠實現(xiàn)復雜的(如傳統(tǒng)的地形圖)、海量的(如大量數(shù)據(jù))地圖制圖。

2. 客戶端制圖

與服務端制圖不同的是，客戶端制圖是直接利用客戶端瀏覽器的相關運行環(huán)境，按照用戶需求對地圖要素進行符號化表達。與服務端制圖相比，客戶端制圖是一種相對輕量級的制圖方法，不需要在客戶端安裝相關軟件，直接基于瀏覽器的繪制能力進行地圖表達。

與服務端制圖類似，客戶端制圖也是由數(shù)據(jù)支撐層、數(shù)據(jù)服務層、客戶端引擎層、客戶端渲染層和客戶端應用層多層結構組成。其中數(shù)據(jù)支撐層和數(shù)據(jù)服務層在服務端，將制圖數(shù)據(jù)、制圖樣式以服務的形式提供給客戶端；客戶端引擎層主要是瀏覽器端的相關基礎類庫，如地圖展示組件(如各類地圖API)、圖表組件(如Highcharts)；客戶端渲染層將基于引擎層的相關渲染組件，實現(xiàn)各類專題地圖的渲染，并提交給應用層展示應用。

3. 兩種在線制圖方法特點

從上述研究可以看出，服務端制圖是一種重量級的后端制圖模式，而客戶端制圖是一種輕量級的前端制圖模式。因此，需要結合各自的特點，選取合適的制圖模式，滿足用戶在線制圖的需要。

(1) 制圖效率上

從實現(xiàn)流程上來說，客戶端制圖實質上是一種“即時制圖”，用戶能第一時間得到制圖的效果；而服務端制圖首先需要在服務端進行地圖繪制，其次要將地圖圖片傳遞至服務端，繪制速度依賴于服務器性能和網絡傳輸[7]，效率相對要低。

(2) 制圖功能上

由于服務端制圖在后臺進行，制圖的能力完全由后臺服務器的運算能力和渲染引擎決定，因此，服務端制圖具有強大的制圖能力，既能夠實現(xiàn)表現(xiàn)復雜的地圖制圖(如傳統(tǒng)的紙質地形圖模式)，又能夠實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的地圖制圖；客戶端制圖直接利用客戶端瀏覽器的相關運行環(huán)境進行符號化表達，受瀏覽器繪制能力、客戶端硬件所限制，往往只能實現(xiàn)簡單的專題地圖。

二、客戶端自助制圖技術研究

1.自助制圖思路

客戶端自助制圖主要包括制圖數(shù)據(jù)、制圖方法和制圖應用3個層面的工作。首先，針對在線制圖需要，制定專題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型，明確專題數(shù)據(jù)的格式、類型和空間化方法，實現(xiàn)多源、異構專題數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理和存儲；其次，對客戶端自助制圖的流程和方法進行研究，設計自助制圖的各類向導，形成一個工序完備、內容齊全、操作便捷的制圖向導，構建在線地圖的表達模型，并采用客戶端制圖方法實現(xiàn)[8]；最后是自助制圖的應用，對自助制圖的服務模式進行研究，將地圖以WebMap的形式進行分享和發(fā)布。

2.制圖數(shù)據(jù)研究

制圖數(shù)據(jù)是自助制圖的基礎，由于不同部門、不同用戶的業(yè)務模式不一，應用類型不一，其所擁有的專題數(shù)據(jù)也千差萬別，因此，需要對制圖數(shù)據(jù)進行研究，明確專題數(shù)據(jù)的類型、格式和要求，實現(xiàn)多源、異構專題數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理和存儲，為自助制圖奠定基礎。

(1) 數(shù)據(jù)類型

目前，用戶所擁有的專題數(shù)據(jù)既有標準的空間數(shù)據(jù)格式(如SHP等)，也有帶有地理坐標的文本數(shù)據(jù)格式(如帶有坐標的GeoJSON、CSV、TXT)，還有一些帶有地理屬性的數(shù)據(jù)格式(如帶有行政區(qū)劃信息、帶有標準地名地址信息的數(shù)據(jù))，因此，首先需要明確各類數(shù)據(jù)的指標和要求，為自助制圖提供符合要求的數(shù)據(jù)源。具體見表1。

(2) 數(shù)據(jù)格式

為了給自助制圖提供一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，需要設計一種通用數(shù)據(jù)格式，將上述多源、異構的用戶專題數(shù)據(jù)轉換成標準數(shù)據(jù)格式。

表1 制圖數(shù)據(jù)要求

標準數(shù)據(jù)格式參照GeoJSON表達方式，基于JavaScript對象表示法進行定義：用戶專題數(shù)據(jù)是一個MapData的集合，對于每一個MapData，主要包括空間信息(Geometry)和屬性信息(Attribute)兩方面的定義：空間信息方面，應支持點(Point)、線(Polyline)、面(Polygon)；屬性定義方面，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)情況，采用Key-Value鍵值對集合的方式進行定義。具體如圖2所示。

圖2 制圖數(shù)據(jù)格式

(3) 數(shù)據(jù)標準化處理

以上面制定的通用數(shù)據(jù)格式為基礎，構建專題數(shù)據(jù)的標準化處理流程和相關工具，實現(xiàn)多源、異構專題數(shù)據(jù)的解析、處理和統(tǒng)一存儲。

從專題數(shù)據(jù)來源來看，一方面，用戶可通過數(shù)據(jù)上傳界面，將專題數(shù)據(jù)上傳至服務端，服務端通過數(shù)據(jù)校核、數(shù)據(jù)解析等步驟，將數(shù)據(jù)轉換成標準數(shù)據(jù)格式，并存儲至數(shù)據(jù)庫中；另一方面，用戶也可通過在線數(shù)據(jù)填報的方式，基于在線制圖系統(tǒng)提供的標準數(shù)據(jù)模板，直接錄入專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)標準化處理流程設計如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)標準化處理流程

3. 制圖方法研究

制圖方法是自助制圖的關鍵，主要包括制圖流程和制圖實現(xiàn)兩部分。制圖流程是根據(jù)在線制圖的需要，設計一個工序完備、內容齊全、操作便捷的制圖向導，方便用戶進行各種制圖規(guī)則的輸入；制圖實現(xiàn)是以用戶輸入的各類數(shù)據(jù)、規(guī)則為基礎，對地圖進行生成和實現(xiàn)的過程。

(1) 制圖流程

參考傳統(tǒng)制圖流程，結合在線制圖的應用需求，客戶端制圖流程主要包括專題符號化設置和圖層設置兩部分內容。其中，專題符號化設置是提供一系列專題符號化工具，實現(xiàn)專題數(shù)據(jù)的符號化表達，包括各類統(tǒng)計地圖符號化工具(如分段設色、柱狀、餅狀)和各類要素符號化工具(如點要素、線要素、面要素等)[9]；圖層設置是結合地圖的應用需求，對地圖中的不同圖層進行控制管理，包括圖層順序、圖層透明度及圖層比例尺范圍等。

(2) 制圖實現(xiàn)

從上文可以看出，客戶端制圖方法通過“即時制圖”模式，實現(xiàn)各類地圖要素的符號化表達，具有較高的應用效率、較好的用戶體驗，功能上也能基本滿足當前天地圖社會化應用的需求。因此，在線自助制圖宜采用客戶端制圖方法進行實現(xiàn)。

4. 地圖應用研究

地圖應用是自助制圖的最終落腳點。為了給用戶提供簡介、靈活、豐富的在線制圖應用體驗，需要對自助制圖的服務模式進行研究。目前，網絡地圖主要有兩種服務模式：一種是以在線地理信息服務接口的方式提供[10]，如常見的WMS、WMTS等服務規(guī)范，在該種模式下，用戶可以基于各類接口，根據(jù)應用需要進行定制開發(fā)，實現(xiàn)在線地圖的瀏覽和信息展示，是一種重量級的解決方案；另一種是以在線地圖WebMap的方式提供，通過將數(shù)據(jù)、樣式、信息進行打包，并通過一個地圖展示界面進行發(fā)布，用戶通過一個URL即可實現(xiàn)可交互的、動態(tài)的在線地圖瀏覽，是一種輕量級的、靈活的應用模式。為了減少用戶應用成本，客戶端自助制圖宜采用WebMap應用模式。

WebMap的應用流程如圖4所示。

圖4 服務端制圖框架

5. 應用效果

基于上述研究理論，筆者開發(fā)了天地圖客戶端自助制圖原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了統(tǒng)計地圖和要素地圖兩類地圖的在線制圖、分享和應用，部分系統(tǒng)截圖如圖5所示。

三、結束語

本文從擴展天地圖服務模式的需求出發(fā)，提出了天地圖自助制圖的服務模式，并從制圖數(shù)據(jù)、制圖方法和制圖應用3個方面對客戶端自助制圖相關關鍵技術進行了研究，開發(fā)了基于天地圖的客戶端自助制圖原型系統(tǒng)，為用戶提供了客戶端制圖功能，使用戶不使用專業(yè)GIS軟件就能實現(xiàn)專題數(shù)據(jù)空間化和專業(yè)GIS制圖的功能，提高了用戶使用天地圖的興趣，擴大了天地圖的應用影響。

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2015-11-23

曹建成(1973—)，男，碩士，高級工程師，主要從事地理空間數(shù)據(jù)庫設計與建設、GIS軟件設計與實現(xiàn)等工作。E-mail：jjcjc@qq.com