劉雨

（昆明能訊科技有限責任公司，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著電網(wǎng)數(shù)字化的推進，與之相關(guān)的空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量也在飛速增長。以云南省為例，僅電網(wǎng)設(shè)備的空間數(shù)據(jù)就已突破億級，每個設(shè)備上掛載有數(shù)個到數(shù)十個不等的關(guān)聯(lián)要素的空間屬性，粗略估算，云南省的空間數(shù)據(jù)占用已達PB級。迫切需要一種高壓縮率的空間數(shù)據(jù)序列化方案，解放硬盤、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源，為用戶帶來流暢、輕量的地圖使用體驗。

傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)存儲和傳輸中，一般按照開源組織OGC提出的WKB(Well-known Binary)規(guī)范[1]，將空間數(shù)據(jù)序列化為二進制流，以點數(shù)據(jù)為例，WKB將其壓縮為如下格式：

因此，WKB規(guī)范下，一個點對象需要占用1+4+8+8+8=29個字節(jié)，其中，字節(jié)序僅為兼容高位在前的壓縮方式而存在，x、y、z坐標總是占用8字節(jié)，對于精度已知的坐標也是一種壓縮浪費?？梢?，WKB的壓縮方案存在較大的空間浪費問題。

另一方面，WKB僅定義了空間數(shù)據(jù)的序列化規(guī)范，而電網(wǎng)數(shù)據(jù)往往關(guān)聯(lián)諸如編號、名稱等屬性，需要一種方法能夠?qū)傩耘c空間數(shù)據(jù)一并序列化，使得具有屬性關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)能夠便捷、高性能地開展。

1 基于protobuf的空間數(shù)據(jù)序列化規(guī)范設(shè)計

protobuf (protocol buffer)[3]，谷歌內(nèi)部的混合語言數(shù)據(jù)標準。通過將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進行序列化（串行化），用于通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域的語言無關(guān)、平臺無關(guān)、可擴展的序列化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)格式。

本文基于protobuf設(shè)計空間數(shù)據(jù)的序列化規(guī)范，主要考慮到protobuf的如下優(yōu)點：protobuf 用字段索引和字段類型通過算法計算得到字段之前的關(guān)系映射，從而達到更高的時間效率和空間效率，特別適合對數(shù)據(jù)大小和傳輸速率比較敏感的場合使用；另一方面，protobuf支持對double數(shù)據(jù)類型的不定長壓縮，也特別適合解決前文提到的定長數(shù)值在空間坐標上的浪費問題。

根據(jù)OGC[2]規(guī)范，空間對象類型分為以下7種：Point（點）、LineString（線）、Polygon（面）、Multi Point（多點）、MultiLineString（多線）、MultiPolygon（多面）、GeometryCollection（幾何容器），本文對這7種空間對象的protobuf格式進行了定義。

1.1 各類空間對象的protobuf定義

Point類型定義如下：

由于x、y、z是不定長的，且大部分電網(wǎng)空間數(shù)據(jù)的精度只到米級，只需4個字節(jié)即可無損描述，因此，大部分點類型數(shù)據(jù)只需要4+4+4=12個字節(jié)即可存儲，即是考慮到預留位等，其大小也比WKB小許多。

LineString類型定義如下：

采用3個double數(shù)組存儲x、y、z坐標串。Polygon類型定義如下：

采用3個double數(shù)組存儲x、y、z坐標串，并用分隔符來確認多邊形上各個環(huán)的位置。

余下4種類型的定義與Polygon的定義類似，均采用了坐標串和分隔符結(jié)合的方案，故不再贅述，完整的定義已開源至gitee.com/wowtools/gis/blob/master/ProtoFeature.proto供讀者詳細查閱。

1.2 關(guān)聯(lián)屬性的protobuf定義

關(guān)聯(lián)屬性的定義如下：

采用key/value的方式來存儲關(guān)聯(lián)屬性，為了進一步壓縮冗余數(shù)據(jù)，key、value不存儲具體的值，而是為相同的值賦予相同的編號，key、value僅存儲編號，從而大幅減少了相同值的空間占用。

特別地，對于存在多層級嵌套的關(guān)聯(lián)屬性，定義一個sub key/value以允許屬性的嵌套。

2 方法實現(xiàn)與驗證

2.1 方法實現(xiàn)

我們利用google開源的工具protoc，將本方法所述的protobuf規(guī)范編譯為java代碼，并封裝了常用的工具函數(shù)，將其打包為本方法對應(yīng)的java實現(xiàn)工具包，并對工具包的壓縮率及對屬性的支持進行驗證。

2.2 壓縮率驗證

我們選擇RFC 7946規(guī)范中提及的示例空間數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)，分別以WKB規(guī)范和本文所述方法進行序列化，并比對序列化后的字節(jié)數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 RFC 7946規(guī)范數(shù)據(jù)壓縮率比較

可見，對于不同類型的空間數(shù)據(jù)，對比WKB，本方法的壓縮率都有較為明顯的提高。

2.3 屬性支持驗證

我們對Java中的8種基本數(shù)據(jù)類型及string、嵌套類型分別進行了驗證，數(shù)據(jù)被正確地序列化、反序列化，且數(shù)值精度未發(fā)生丟失，說明本方法對于屬性的支持是正確和準確的。

3 應(yīng)用實例

3.1 大數(shù)據(jù)量的空間數(shù)據(jù)展現(xiàn)

我省的樹障隱患數(shù)據(jù)大約有120萬條，需要將這些數(shù)據(jù)的分布情況在web地圖上展現(xiàn)出來（如圖1所示），無疑需要占用極大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和瀏覽器內(nèi)存，我們采用本方法，結(jié)合矢量瓦片技術(shù)與webgl展現(xiàn)技術(shù)，將數(shù)據(jù)量壓縮到了4.8MB，并使得樹障隱患數(shù)據(jù)在配置較差的電腦上也能流暢運行。

圖1 大數(shù)據(jù)量的樹障隱患空間數(shù)據(jù)展現(xiàn)

3.2 空間數(shù)據(jù)與屬性的天然融合

在輸電線路分析業(yè)務(wù)中，往往需要結(jié)合設(shè)備本體、電網(wǎng)風險、環(huán)境因素等多個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，綜合給出判斷結(jié)果，本方法解決了空間數(shù)據(jù)字節(jié)流無法攜帶屬性信息的問題，將空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)天然地融合（如圖2所示）在一起，使得前端業(yè)務(wù)展現(xiàn)和分析時，無需考慮繁雜的數(shù)據(jù)融合問題，開發(fā)者可將更多的精力投入到業(yè)務(wù)應(yīng)用上。

圖2 空間數(shù)據(jù)與電網(wǎng)屬性的天然融合

4 結(jié)束語

本文提出了一種高壓縮率的空間數(shù)據(jù)序列化方法，用以解決WKB規(guī)范在壓縮率和屬性傳輸上的不足。通過本方法的研究和實現(xiàn)，為大數(shù)據(jù)量、復雜屬性的GIS業(yè)務(wù)場景提出了一種可行方案和工具。