舒 超，陳 犖，李建強，李 軍

（1.國防科學技術(shù)大學 電子科學與工程學院， 湖南 長沙 410073；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100032）

基于地圖制圖腳本的地質(zhì)圖發(fā)布系統(tǒng)

舒 超1，陳 犖1，李建強2，李 軍1

（1.國防科學技術(shù)大學 電子科學與工程學院， 湖南 長沙 410073；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100032）

現(xiàn)有的數(shù)字化地質(zhì)圖，多以MapGIS（wl/wt/wp）數(shù)據(jù)格式存儲，無法為相關(guān)單位、個人提供較好的數(shù)據(jù)服務(wù)，給業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)共享帶來了障礙；同時，傳統(tǒng)GIS軟件也無法滿足復雜地質(zhì)圖高效繪制的需求?；诖耍岢隽艘环N基于地圖制圖腳本的地質(zhì)圖發(fā)布方法，通過對原始電子地質(zhì)圖信息的解析，自動生成制圖腳本，實現(xiàn)高效的Web端地質(zhì)圖成圖。

制圖腳本；地質(zhì)圖；WebGIS；高效繪制；高性能地理計算平臺

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)存儲、快速處理技術(shù)的不斷進步，面向Web的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)展迅速[1]。信息技術(shù)正以前所未有的速度改變著人們的生產(chǎn)、生活和思維方式[2]。OpenStreetMap開放了全球的街道數(shù)據(jù)，降低了大眾制圖的門檻；MapBox采用腳本化的地圖制圖模式，探索出網(wǎng)頁制圖的最佳方式。隨之，腳本化地圖制圖模式在移動互聯(lián)網(wǎng)時代逐漸興起，成為互聯(lián)網(wǎng)GIS中富有前景的技術(shù)之一[3]。

目前，隨著地質(zhì)圖書館的建立，海量復雜的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)已實現(xiàn)了初步的電子化，并多以MapGIS（wl/ wp/wt）數(shù)據(jù)格式存儲；但由于地質(zhì)圖具有海量、碎片化、非結(jié)構(gòu)化等特性，傳統(tǒng)地圖的繪制方式無法滿足地質(zhì)圖復雜的Web端高效繪制需求，使得這些電子化的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)并不能很方便地向社會提供相關(guān)服務(wù)。在傳統(tǒng)GIS無法實現(xiàn)地質(zhì)圖在線服務(wù)的當下，開發(fā)與擴展基于腳本化制圖的Web端地質(zhì)圖快速顯示、查詢技術(shù)有著十分重要的意義。

為了實現(xiàn)地質(zhì)圖的在線發(fā)布，達到高效繪制復雜海量地質(zhì)圖的目標，本文基于地圖制圖腳本模型，設(shè)計研發(fā)了地質(zhì)圖發(fā)布系統(tǒng)（以下簡稱發(fā)布系統(tǒng)），并通過在某B/S架構(gòu)的交互式Web地理計算平臺中的應(yīng)用實例驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 地圖制圖腳本模型

腳本化制圖是指采用腳本描述語言定義地圖中各要素的制圖樣式，并通過腳本解釋引擎軟件將腳本描述轉(zhuǎn)化為實際的制圖命令。OGC委員會在WMS標準中給出了一種地圖樣式描述腳本規(guī)范，即SLD[4]。在該規(guī)范中，地圖被定義為由樣式化圖層按照一定的次序疊加形成的對象。樣式化圖層是由圖層數(shù)據(jù)和描述該圖層繪制樣式的信息組成的集合。按照這種定義，一 個地圖可以表示為：

式中，Layer為一個圖層；Style為其對應(yīng)的樣式。

開源地圖繪制引擎的作者Migurski M受SLD思想的啟發(fā)，提出將地圖的繪制信息表述為(Layer,Style)元組的集合，并用xml編碼表示；地圖繪制引擎通過讀取xml文件進行地圖繪制。但參考文獻[5]指出，用xml文件描述地圖樣式仍過于復雜[6]，不利于用戶編寫；若采用CSS語法，樣式的描述可變得更加簡潔、靈活，因此提出了一種基于層疊樣式表的制圖描述語言——CartoCSS，并被當前最大的訂制化在線地圖供應(yīng)商Mapbox所采用。隨后，腳本制圖技術(shù)逐漸發(fā)展，出現(xiàn)了若干基于腳本制圖的系統(tǒng)[7]，如采用Geographic Style Sheets腳本的 Cartagem和使用MapCSS腳本的OpenStreetMap。相對于傳統(tǒng)制圖模型，地圖制圖腳本模型具有互操作性強、易于編寫、可重用、繪制效率高等優(yōu)勢，能極大地提高地圖繪制的靈活度。

2 發(fā)布系統(tǒng)架構(gòu)

為陳述方便，本文給出以下定義：①制圖樣式腳本：CartoCSS腳本文件，Web前端繪制引擎與繪制樣式的關(guān)聯(lián)文件。②制圖工程腳本：地質(zhì)圖圖層組織腳本文件，主要負責給Web端提供圖層組織信息。③地質(zhì)圖樣式：地質(zhì)圖要素的顯示特征（顏色、線條粗細、符號大小等）。④地質(zhì)圖符號庫：包括各類地質(zhì)圖符號、注記的圖片庫。⑤交換地質(zhì)圖：通過格式轉(zhuǎn)換和樣式提取，使原始地質(zhì)圖數(shù)據(jù)與樣式相分離，其中數(shù)據(jù)存儲為 shapefile格式，樣式存儲為文本描述格式；用于解決地質(zhì)圖從Windows平臺向Linux平臺的轉(zhuǎn)換。⑥矢量樣式文件：地質(zhì)圖矢量要素樣式顯示特征文件，是后綴名為txt的文本文件。⑦注記符號要素文件：地質(zhì)圖注記符號要素和注記顯示特征文件，從MapGIS NOTE明碼文件中提取得到，是后綴名為wat的文本文件。矢量樣式文件和注記符號要素文件都是通過MapGIS軟件相關(guān)模塊從原始地質(zhì)圖數(shù)據(jù)中提取的。

發(fā)布系統(tǒng)由地質(zhì)圖數(shù)據(jù)解析模塊、地質(zhì)圖樣式轉(zhuǎn)換模塊、資源管理模塊和制圖與發(fā)布模塊組成，架構(gòu)如圖1所示。首先，系統(tǒng)將Windows平臺下由MapGIS存儲管理的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)解析為交換地質(zhì)圖，再將其傳送到基于Linux平臺的發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)對地質(zhì)圖制圖腳本的生成和最終地質(zhì)圖的發(fā)布。

圖1 發(fā)布系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 地質(zhì)圖數(shù)據(jù)解析模塊

該模塊負責處理存儲于MapGIS系統(tǒng)中的原始地質(zhì)圖，解析提取其中的要素數(shù)據(jù)和樣式信息，生成能跨平臺處理的交換地質(zhì)圖中間格式。

原始地質(zhì)矢量要素樣式與矢量要素數(shù)據(jù)相結(jié)合存儲于MapGIS格式數(shù)據(jù)中，因此注記符號要素文件采用明碼格式儲存在原始數(shù)據(jù)的NOTE文件中。對地質(zhì)圖數(shù)據(jù)進行解析時，不但需要解析矢量要素數(shù)據(jù)，還需分別對矢量要素樣式和注記符號進行提取。

矢量要素數(shù)據(jù)的解析方法為：調(diào)用MapGIS的數(shù)據(jù)交換功能，將MapGIS中存儲的地質(zhì)圖矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為shapefile格式。矢量要素樣式的解析方法為：利用MapGIS的樣式文本提取模塊，批量剝離矢量要素樣式；再結(jié)合MapGIS數(shù)據(jù)中的矢量樣式提取為交換地質(zhì)圖的文本矢量要素樣式。注記符號要素的解析方法為：利用MapGIS的明碼解析模塊，從NOTE文件中提取交換地質(zhì)圖的注記符號要素文本文件。

2.2 地質(zhì)圖樣式轉(zhuǎn)換模塊

該模塊負責轉(zhuǎn)換交換地質(zhì)圖的制圖樣式，形成地質(zhì)圖對應(yīng)的制圖腳本。每個交換地質(zhì)圖圖層對應(yīng)一個樣式文件，每個樣式文件中包含著圖層中數(shù)以萬計的各矢量要素的顏色、粗細等，而此類樣式文件并不能被制圖腳本解釋器識別。制圖腳本語言采用種類似于CSS的制圖樣式語言，樣式定義文件即為CartoCSS語言腳本。而面對如此龐大的要素樣式，不可能在前端手動進行樣式編輯，故提出了一種自動化樣式解析方法。按照點、線、面樣式文件的文件組織特征，在交換地質(zhì)圖矢量樣式文本文件中提取其顏色、線的粗細、點的大小等信息；再按照CatroCSS的語法特點，形成相應(yīng)的制圖樣式腳本。

2.3 資源管理模塊

該模塊負責存儲管理交換地質(zhì)圖中的矢量要素數(shù)據(jù)和制圖樣式中的樣式符號文件，實現(xiàn)制圖樣式與圖層的關(guān)聯(lián)，為制圖與發(fā)布模塊提供完整的制圖數(shù)據(jù)與腳本化樣式集合。

交換地質(zhì)圖中矢量要素數(shù)據(jù)的存儲管理方法為：將shapefile文件轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)庫存儲，空間數(shù)據(jù)庫采用PostGIS。交換地質(zhì)圖svg符號庫的存儲管理方法為：上傳并將格式轉(zhuǎn)換為png格式。注記符號文本文件提取、存儲管理方法詳見§3.1。

制圖工程腳本的功能為：記錄地質(zhì)圖包含的種類、各圖層信息以及圖層與樣式腳本對應(yīng)關(guān)系信息，以便在前端繪制中，繪制引擎能正確組織各圖層以及對應(yīng)的樣式，完成繪制。在后臺提取上傳的交換地質(zhì)圖各圖層數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)名、數(shù)據(jù)類型、經(jīng)緯跨度等信息，同時為各數(shù)據(jù)圖層設(shè)置唯一的識別主鍵，進而生成需要的制圖工程腳本。

2.4 制圖與發(fā)布模塊

該模塊實現(xiàn)地質(zhì)圖的并行繪制與在線發(fā)布，其主要步驟為：①根據(jù)制圖工程腳本，獲取各地質(zhì)圖繪制所需的各圖層以及對應(yīng)樣式；②解析各制圖樣式腳本，并驅(qū)動地圖繪制引擎進行繪制，實時顯示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：地質(zhì)圖注記快速并行提取技術(shù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)及符號庫快速交換技術(shù)和海量地質(zhì)圖數(shù)據(jù)并行可視化與制圖技術(shù)。

3.1 地質(zhì)圖注記快速并行提取技術(shù)

經(jīng)過資源管理模塊的初步處理后，地質(zhì)圖注記符號以文本的形式按照一定的規(guī)則存儲在注記符號文本文件中，每條注記對應(yīng)一條文本記錄。一條注記符號文本動輒包含數(shù)百萬條文本記錄，且記錄由漢字、英文字母、羅馬字母、復雜地質(zhì)符號等組成，使得常規(guī)文本解析提取變得十分困難。

通過研究復雜地質(zhì)圖注記符號文本記錄的規(guī)律，發(fā)布系統(tǒng)將每條文本記錄解析為前端可識別和顯示的地質(zhì)圖符號，形成png格式的地質(zhì)圖注記符號庫，并建立顯示位置與圖片的對應(yīng)關(guān)系，將注記疊加至地質(zhì)圖上。針對海量的地質(zhì)圖注記對提取速度的影響，發(fā)布系統(tǒng)提出了一種基于Python多進程編程的提取技術(shù)。該技術(shù)先對文本中相同的注記符號進行聚類，避免相同符號的重復提?。辉僬{(diào)用多節(jié)點同時對超大文本文件的各部分進行讀取、提取和生成png格式地質(zhì)圖注記符號；最后一次性寫入共享文件系統(tǒng)。

3.2 地質(zhì)圖數(shù)據(jù)及符號庫快速交換技術(shù)

針對地質(zhì)圖數(shù)據(jù)及符號庫內(nèi)容繁多、制圖規(guī)則復雜的特點，發(fā)布系統(tǒng)在統(tǒng)一框架下分別對點、線、面等樣式進行處理。所有制圖樣式和素材先由MapGIS導出成特定的通用交換格式，如導出數(shù)據(jù)為shapefile，導出樣式為資源文本文件；再利用一套導入工具實現(xiàn)自動化高效導入。具體到點、線、面樣式，又有不同的技術(shù)方案：

1）面樣式。地質(zhì)圖的面樣式主要包括顏色和填充紋理，填充紋理又可定義方向。發(fā)布系統(tǒng)接收從MapGIS導出的位圖或符號庫中的填充紋理文件，以及要素關(guān)鍵字段值與資源文件、顏色、紋理方向的對照表。先將資源文件注冊到發(fā)布系統(tǒng)，再根據(jù)對照表生成相應(yīng)的“地圖樣式文件”，最后導入系統(tǒng)進行繪制。

2）點樣式。地質(zhì)圖的點樣式主要以位圖或矢量圖元表達，可定義大小、顏色和方向。發(fā)布系統(tǒng)接收從MapGIS導出的位圖或交換地質(zhì)圖符號庫中的其他圖元，以及要素關(guān)鍵字段值與資源文件、大小、顏色、方向的對照表，操作與面樣式相同。

3）線樣式。地質(zhì)圖的線樣式主要有顏色、寬度和少量的模型線。發(fā)布系統(tǒng)接收從MapGIS導出的要素關(guān)鍵字段值與顏色、線寬的對照表，生成“地圖樣式文件”導入發(fā)布系統(tǒng)。對于無法用資源文件表達的少數(shù)模型線，需在發(fā)布系統(tǒng)中重新手工制作。

3.3 海量地質(zhì)圖數(shù)據(jù)并行可視化與制圖技術(shù)

地質(zhì)調(diào)查空間數(shù)據(jù)并行可視化與制圖在服務(wù)上采取與數(shù)據(jù)服務(wù)類似的技術(shù)方案，后端運用高質(zhì)量二維繪制引擎Agg和多級緩存等策略，結(jié)合并行可視化算法，實現(xiàn)對地質(zhì)調(diào)查空間數(shù)據(jù)的快速高質(zhì)量并行可視化與制圖。并行可視化擬在兩個層面上進行：對于數(shù)據(jù)量小、數(shù)目較多的地質(zhì)數(shù)據(jù)集，采用大粒度并行，即根據(jù)數(shù)據(jù)進行負載平衡；對于數(shù)據(jù)量大、數(shù)目相對較少的地質(zhì)數(shù)據(jù)集，采用任務(wù)的更細粒度劃分，充分利用MPI、OpenMP并行方案，加速繪制速度，同時可采用矢量瓦片、矢量簡化等方案，降低繪制壓力。其整體架構(gòu)見圖2。

圖2 海量地質(zhì)圖數(shù)據(jù)并行可視化與制圖服務(wù)架構(gòu)

4 發(fā)布系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 發(fā)布系統(tǒng)配置環(huán)境

服務(wù)器環(huán)境為：10臺x86架構(gòu)服務(wù)器組成的高性能計算集群，含12 TB存儲，萬兆以太網(wǎng)絡(luò)。客戶端環(huán)境為：Intel Core i5 3.0 GHz，2 GB RAM，Google Chrome V25.0。發(fā)布系統(tǒng)集成于自主研發(fā)的高性能地理計算平臺（HiGIS），依托于國產(chǎn)操作系統(tǒng)——KylinOS。

4.2 發(fā)布系統(tǒng)功能

1）地質(zhì)圖數(shù)據(jù)批量交互上傳。打開瀏覽器進入HiGIS系統(tǒng)總界面，點擊“上傳交互地質(zhì)圖”控件，選擇需上傳的交互地質(zhì)圖數(shù)據(jù)，輸入地質(zhì)圖名稱和描述，點擊上傳。演示效果如圖3所示。后端4個模塊將對上傳的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)進行自動化處理，并生成可在瀏覽器端高效可視化的地質(zhì)圖。

2）地質(zhì)圖前端顯示效果。在發(fā)布系統(tǒng)中找到并打開新上傳的地質(zhì)圖，實現(xiàn)流暢的復雜樣式的地質(zhì)圖縮放、漫游功能，如圖4所示。

圖3 地質(zhì)圖數(shù)據(jù)批量交互上傳

圖4 1∶250萬地質(zhì)圖瀏覽

5 結(jié) 語

本文提出了基于地圖制圖腳本模型的地質(zhì)圖發(fā)布方法，極大地提高了地質(zhì)圖交互瀏覽的效率；實現(xiàn)了基于并行技術(shù)的地質(zhì)圖注記快速提取和樣式的高效轉(zhuǎn)換；設(shè)計了基于高性能集群的面向Web端的地質(zhì)圖發(fā)布系統(tǒng)。今后需對發(fā)布系統(tǒng)的功能進行優(yōu)化：①通過優(yōu)化并行繪制算法，進一步提高繪制效率；②結(jié)合地質(zhì)圖相關(guān)應(yīng)用，添加相關(guān)的分析功能，如添加地質(zhì)災害動態(tài)預測分析功能、模擬地質(zhì)災害功能等，進一步拓展應(yīng)用功能。

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P283.7

B

1672-4623（2017）07-0049-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.015

舒超，碩士研究生，主要研究方向為GIS應(yīng)用和空間數(shù)據(jù)庫。

本 刊 聲 明

（本刊編輯部）

2016-10-21。

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