畢曉玲，肖 桐，張 雪，王麗霞，申文明

（1.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

為嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)紅線生態(tài)破壞問題監(jiān)管，落實(shí)53111 監(jiān)管體系和遙感主動發(fā)現(xiàn)的工作要求，依托國家生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管平臺，本文研發(fā)了生態(tài)破壞問題會商功能，實(shí)現(xiàn)了對疑似圖斑、遙感影像、基礎(chǔ)地理、視頻監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)調(diào)查、環(huán)評審批、輿情監(jiān)控、法律法規(guī)、政策文件等多種數(shù)據(jù)資料的集成展示、查詢?yōu)g覽和研判分析，提升了遙感發(fā)現(xiàn)生態(tài)破壞問題的精度和可靠性，建立了疑似生態(tài)破壞問題清單，推動了遙感監(jiān)管“發(fā)現(xiàn)問題”與“查實(shí)問題”并重，實(shí)現(xiàn)了被動到主動、監(jiān)測到會診、評估到預(yù)警的轉(zhuǎn)變，形成了長周期、中等周期和短周期的多維度監(jiān)測能力。會商過程中，實(shí)時調(diào)取會商前準(zhǔn)備的各類材料，展示生態(tài)破壞問題圖斑位置、屬性，介紹區(qū)域、基本生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)狀況、法律法規(guī)以及政策文件等，查看實(shí)地核實(shí)成果等。本文結(jié)合生態(tài)破壞問題會商過程中對矢量數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用需求，在充分發(fā)揮柵格和矢量瓦片優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，研究了面向生態(tài)破壞問題會商的個性化矢量數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)方法，提出了包含矢量分級切片索引、數(shù)據(jù)高速切割、高效渲染技術(shù)在內(nèi)的一整套矢量分級索引與動態(tài)渲染技術(shù)體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于矢量瓦片技術(shù)能實(shí)現(xiàn)全國海量矢量數(shù)據(jù)的高效發(fā)布、生態(tài)破壞問題自動識別后的服務(wù)更新與即時上圖，以滿足生態(tài)破壞問題會商業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)實(shí)時查詢、動態(tài)過濾、按需渲染和及時更新的應(yīng)用需求。

1 矢量瓦片技術(shù)概念

目前高德、百度、騰訊等在線地圖均以固定樣式展現(xiàn)給用戶，不能兼顧用戶多樣化的應(yīng)用需求[1]。在線地圖是國家生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管平臺的基礎(chǔ)能力。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低、客戶端交互性和分析操作性強(qiáng)、圖形顯示質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，矢量數(shù)據(jù)被越來越廣泛地應(yīng)用于在線地圖[2-3]；但當(dāng)數(shù)據(jù)量增大到一定程度，受網(wǎng)絡(luò)帶寬或客戶端電腦硬件限制，用戶頻繁操作時，服務(wù)器只能不停運(yùn)算以返回結(jié)果[4]，矢量數(shù)據(jù)渲染效率和用戶體驗(yàn)明顯降低[5]。HTML5為WebGIS的發(fā)展帶來了新的變化與機(jī)遇[6]。WebGIS的地圖服務(wù)是以地圖分級瓦片技術(shù)為數(shù)據(jù)存儲的預(yù)緩存技術(shù)[7]，柵格瓦片改善了地圖加載緩慢的問題[8-9]，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率；但柵格瓦片靈活性不足、交互性較弱、預(yù)處理時間長且損失了很多信息[10]，限制了用戶對在線數(shù)據(jù)的交互查詢和統(tǒng)計(jì)分析[11-12]。無論是直接瀏覽矢量數(shù)據(jù)還是采用柵格瓦片中的任意一種，想要達(dá)到無級瀏覽都需通過數(shù)據(jù)綜合生成比數(shù)據(jù)原始尺度小的中間數(shù)據(jù)，并制作多套、多級用于展示的地圖或緩存，流程復(fù)雜且耗時。生態(tài)破壞問題會商時，需要對關(guān)注的內(nèi)容進(jìn)行交互查詢、綜合分析，實(shí)時性要求較高，因此柵格瓦片不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，本文引入矢量瓦片技術(shù)概念（圖1）。矢量瓦片是矢量數(shù)據(jù)多尺度表達(dá)的一種形式[13]，按照分塊金字塔的方式進(jìn)行調(diào)度，切割好的瓦片以文件形式存儲[14]；每個數(shù)據(jù)單元只包含一定范圍內(nèi)的要素信息，瓦片攜帶的是用戶繪制的數(shù)據(jù)，而不是已繪制的固定樣式圖片[15]。矢量瓦片技術(shù)可有效滿足矢量數(shù)據(jù)高效瀏覽、交互查詢和在線編輯等應(yīng)用需求，以提升和優(yōu)化用戶對地圖的在線交互體驗(yàn)[16]。

圖1 矢量瓦片與柵格瓦片技術(shù)流程對比

2 矢量瓦片技術(shù)路線

面向生態(tài)破壞問題會商的個性化矢量數(shù)據(jù)服務(wù)通過高效的矢量數(shù)據(jù)索引構(gòu)建算法、分級索引調(diào)度、GPU加速并行渲染和矢量瓦片增量更新技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量矢量數(shù)據(jù)在前端在線地圖的動態(tài)渲染、高效瀏覽、快速更新以及地圖要素拾取、查詢等功能，并提供個性化地圖方案。以矢量瓦片技術(shù)為生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)加工和地圖服務(wù)技術(shù)，可縮短地圖更新周期、降低數(shù)據(jù)存儲體量和傳輸成本，提供高效的生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)渲染和在線服務(wù)。整體技術(shù)路線見圖2：①數(shù)據(jù)建庫，梳理數(shù)據(jù)資源，對需要采用矢量瓦片技術(shù)進(jìn)行切片和渲染的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過時空數(shù)據(jù)庫管理分析系統(tǒng)存儲在數(shù)據(jù)庫中；②索引構(gòu)建，結(jié)合生態(tài)破壞問題會商對矢量數(shù)據(jù)展示的需求，創(chuàng)建基于視覺模型的分級索引，依據(jù)比例尺級別對數(shù)據(jù)采用不同方式進(jìn)行分級切片和索引處理；③動態(tài)渲染，根據(jù)提前設(shè)置的渲染參數(shù)和符號化方案以及瀏覽器端顯示需要，動態(tài)調(diào)整和切換符號方案，實(shí)時變換瀏覽器端可視化效果；④服務(wù)發(fā)布，通過矢量瓦片服務(wù)發(fā)布引擎，結(jié)合圖層渲染方案，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)，發(fā)布成矢量瓦片服務(wù)，供瀏覽器端調(diào)用顯示。

圖2 矢量瓦片技術(shù)路線圖

3 矢量瓦片技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圍繞生態(tài)破壞問題會商過程中對問題圖斑等矢量數(shù)據(jù)動態(tài)符號化、瀏覽效率、動態(tài)查詢檢索、要素高亮拾取、數(shù)據(jù)服務(wù)聯(lián)動更新等方面的需求，結(jié)合矢量瓦片技術(shù)路線，本文從數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)瀏覽與使用、服務(wù)聯(lián)動更新等方面闡述具體實(shí)現(xiàn)方法。

1）數(shù)據(jù)存儲。近年來，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫發(fā)展迅速，旨在解決大數(shù)據(jù)存儲與分析等難題[17]。MongoDB作為非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的重要代表，在海量數(shù)據(jù)存儲和并發(fā)訪問方面具有明顯優(yōu)勢[18]。本文選取MongoDB作為矢量瓦片服務(wù)數(shù)據(jù)庫存儲引擎，針對HDFS、MongoDB等通用存儲技術(shù)在原生狀態(tài)下不支持空間數(shù)據(jù)模型、無法直接用于空間數(shù)據(jù)有效管理的問題，采用多態(tài)融合大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)存儲生態(tài)破壞問題圖斑、生態(tài)保護(hù)紅線邊界、基礎(chǔ)地理等多源矢量數(shù)據(jù)；針對單一空間大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)不能滿足場景鏈路存儲需求的性能瓶頸，基于一體化模型，搭建不同存儲形態(tài)之間的“橋梁”，實(shí)現(xiàn)空間大數(shù)據(jù)存儲、計(jì)算、可視化的無縫銜接，為用戶提供統(tǒng)一、透明化的高效數(shù)據(jù)訪問；面對不同的應(yīng)用場景，采用差異化存儲策略，充分利用各存儲形態(tài)的優(yōu)勢，打破多場景業(yè)務(wù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)訪問性能瓶頸。多態(tài)融合的空間大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以空間數(shù)據(jù)模型、空間索引和空間算法模型為核心，實(shí)現(xiàn)兼容多種大數(shù)據(jù)存儲形態(tài)的空間化擴(kuò)展，使各類大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)具有空間數(shù)據(jù)存儲管理能力，為用戶提供全類型時空大數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲管理與高效訪問，支撐關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對矢量數(shù)據(jù)的管理效能從億級提升到百億級、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對瓦片數(shù)據(jù)的管理效能從百億提升到千億級。

2）服務(wù)發(fā)布。針對傳統(tǒng)柵格瓦片發(fā)布周期長的問題，矢量瓦片技術(shù)采用動態(tài)矢量切片技術(shù)，改進(jìn)要素簡化、圖形切割等關(guān)鍵算法，不同級別瓦片按照規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行索引切割，同時考慮坐標(biāo)信息與實(shí)體屬性信息的繼承關(guān)系，采用GeoJSON[19]格式存儲重新編碼的矢量數(shù)據(jù)信息，在保障原數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的前提下盡可能減小數(shù)據(jù)冗余、縮小數(shù)據(jù)體積，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)瓦片數(shù)據(jù)提高了幾十倍，解決了柵格瓦片服務(wù)發(fā)布動輒需要一個月以上的問題，實(shí)現(xiàn)了TB 級矢量數(shù)據(jù)的動態(tài)發(fā)布、實(shí)時預(yù)覽；將矢量瓦片技術(shù)與智能緩存技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)用戶訪問熱度、數(shù)據(jù)重要程度、處理難易程度等智能管理緩存，將一部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理結(jié)果放到緩存中，解決了傳統(tǒng)預(yù)建緩存耗時長、占用存儲高等問題，以更低的資源消耗來支撐更高的發(fā)布效率和并發(fā)訪問性能；同時矢量瓦片技術(shù)采用有針對性的高效壓縮算法和定制化編碼結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)存儲高效和傳輸安全。

3）服務(wù)瀏覽與使用。矢量瓦片技術(shù)優(yōu)化了按視域分級動態(tài)調(diào)度機(jī)制，根據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建的索引情況，對不同層級不同比例尺采用不同的渲染模式，解決了不同級別瓦片過渡存在卡頓的問題，實(shí)現(xiàn)了不同層級高保真、無極縮放和高效瀏覽。以全國陸域生態(tài)保護(hù)紅線邊界圖層為例，在接近其數(shù)據(jù)原始精度的比例尺下（如1∶1 萬～1∶5 萬），直接采用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，無需構(gòu)建索引；在中等比例尺下，將數(shù)據(jù)預(yù)處理為矢量瓦片索引并存儲，前端依據(jù)顯示比例尺實(shí)現(xiàn)對應(yīng)層級的調(diào)用和渲染；在小比例尺下，將數(shù)據(jù)預(yù)處理為RF 瓦片索引并存儲，前端依據(jù)顯示比例尺實(shí)現(xiàn)對應(yīng)層級的調(diào)用和渲染。同時，矢量瓦片技術(shù)采用動態(tài)渲染技術(shù)，通過渲染和調(diào)度異步執(zhí)行以及多種渲染模式相結(jié)合兩個策略極大增強(qiáng)了地圖的可修改性和交互性，解決了傳統(tǒng)柵格瓦片樣式固化、交互性差的問題。矢量瓦片技術(shù)還支持移動端、瀏覽器端、服務(wù)器端等多端渲染，可根據(jù)不同場景定制渲染模式，達(dá)到最佳的渲染性能和瀏覽體驗(yàn)。

4）服務(wù)聯(lián)動更新。生態(tài)破壞問題會商時，需提前上傳待會商的問題圖斑數(shù)據(jù)，后臺自動發(fā)布成矢量瓦片服務(wù)，但一次會商事件不一定能完成所有圖斑的會商，已完成會商的圖斑需根據(jù)會商記錄修改相應(yīng)屬性或補(bǔ)充相應(yīng)佐證材料，該過程反復(fù)進(jìn)行，若每次都重新上傳所有數(shù)據(jù)，重新發(fā)布所有數(shù)據(jù)服務(wù)，將嚴(yán)重降低會商效率和便捷性，造成存儲資源的浪費(fèi)。為滿足會商過程中專家對各類監(jiān)管信息準(zhǔn)確性和及時性的要求，用戶通過交互式操作完成會商數(shù)據(jù)的上傳，后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化檢查，質(zhì)檢通過后，將圖斑空間數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫提前定義的圖斑空間表內(nèi)，并將空間表信息注冊到矢量瓦片服務(wù)和數(shù)據(jù)查詢接口中，矢量空間數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)以增量更新的方式進(jìn)行管理和維護(hù)，瓦片服務(wù)數(shù)據(jù)庫直接從空間數(shù)據(jù)庫中獲取矢量數(shù)據(jù)加工處理成瓦片數(shù)據(jù)并對外提供服務(wù)，服務(wù)數(shù)據(jù)需做到及時更新，基于服務(wù)數(shù)據(jù)，地圖服務(wù)做到按需更新（圖3）。當(dāng)會商的數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)生變化時，按照上述實(shí)現(xiàn)方式，入庫的空間表已在矢量瓦片服務(wù)和數(shù)據(jù)查詢接口中注冊過，通過矢量瓦片的直連渲染機(jī)制，實(shí)現(xiàn)服務(wù)要素的動態(tài)更新與地圖展示；通過數(shù)據(jù)查詢接口，實(shí)現(xiàn)圖斑屬性數(shù)據(jù)的可視化展示與聯(lián)動，保證服務(wù)數(shù)據(jù)的鮮活性，避免重新發(fā)布服務(wù)，顯著提高時效性。

圖3 數(shù)據(jù)與服務(wù)聯(lián)動更新示意圖

4 矢量瓦片應(yīng)用分析

根據(jù)上述技術(shù)路線和方法，以全國陸域生態(tài)保護(hù)紅線相關(guān)數(shù)據(jù)為例，本文從分布式瓦片服務(wù)數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)發(fā)布前瓦片的切割和索引構(gòu)建、服務(wù)瀏覽時瓦片的高效動態(tài)渲染以及數(shù)據(jù)與服務(wù)的聯(lián)動更新4 個方面開展基于矢量瓦片的生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用分析。

4.1 分布式瓦片服務(wù)數(shù)據(jù)存儲

基于多態(tài)融合大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，本文利用3 臺服務(wù)器搭建分布式集群環(huán)境，利用副本集與分片機(jī)制相結(jié)合的分布式存儲方法存儲陸域生態(tài)保護(hù)紅線、縣級行政區(qū)劃和國家公園數(shù)據(jù)，在最大并發(fā)訪問量下，對2018版陸域生態(tài)保護(hù)紅線（200多萬個圖斑）、縣級行政區(qū)劃（約3 000個圖斑）、國家公園（10個圖斑）3個數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，訪問效率比傳統(tǒng)單機(jī)部署平均提升約5倍（表1）。

表1 訪問效率對比

4.2 矢量分級索引和高速切割算法

全國陸域生態(tài)保護(hù)紅線邊界矢量數(shù)據(jù)體量大，為提高整體索引創(chuàng)建效率，本文改進(jìn)了各級別下按照規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行索引切割的算法。結(jié)果表明，切割效率比原有SDO_INTERSECTION 自有函數(shù)提高了100 倍（表2）?；诟倪M(jìn)的矢量分級索引和切割方法，對2018 版全國陸域生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)（31 個分省數(shù)據(jù)層、200 多萬個圖斑）創(chuàng)建索引。結(jié)果表明，構(gòu)建效率比傳統(tǒng)柵格瓦片提升10倍以上。

表2 切割效率對比表

4.3 瓦片高效動態(tài)渲染

矢量瓦片采用全新的數(shù)據(jù)組織形式與數(shù)據(jù)渲染分離異步執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)百萬級要素?cái)?shù)據(jù)服務(wù)的無縫無損瀏覽效果，能很好地支持高分辨率顯示屏隨意縮放。用戶請求時服務(wù)器端無需重復(fù)生成新的瓦片，只需直接返回當(dāng)前區(qū)域所對應(yīng)的小范圍輕量級瓦片，有效縮短了服務(wù)器渲染地圖的時間和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，實(shí)現(xiàn)GB 級要素秒級瀏覽不卡頓，全國陸域生態(tài)保護(hù)紅線邊界電子地圖服務(wù)在各級別整屏數(shù)據(jù)刷新耗時均在1 s左右。矢量瓦片對要素級粒度的點(diǎn)、線、面圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，告別柵格瓦片地圖零交互的現(xiàn)象，支持要素拾取、圖層顯隱控制、查詢等地圖交互，應(yīng)用效果見圖4。

4.4 數(shù)據(jù)與服務(wù)聯(lián)動更新

基于數(shù)據(jù)服務(wù)聯(lián)動更新技術(shù)，本文以變化檢測得到的疑似生態(tài)破壞問題圖斑為例進(jìn)行數(shù)據(jù)更新實(shí)驗(yàn)，在線地圖窗口可看到更新前后識別的道路圖斑變化情況，除空間數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)生變化外，屬性數(shù)據(jù)由原先的16 個字段增至28 個字段，更新完成后可實(shí)現(xiàn)該生態(tài)破壞問題圖斑“問題發(fā)現(xiàn)—問題核實(shí)—問題整改”的全生命周期追溯，為時序變化分析和信息挖掘提供便利（圖5）。

圖5 服務(wù)更新前后效果對比圖

5 結(jié)語

本文面向生態(tài)破壞問題會商業(yè)務(wù)中各類矢量數(shù)據(jù)服務(wù)高效瀏覽、交互式查詢、在線分析等應(yīng)用需求，分析了柵格瓦片和矢量瓦片的優(yōu)劣，引出矢量瓦片技術(shù)的概念，闡述了面向生態(tài)破壞問題會商的個性化矢量數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，從數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)發(fā)布、服務(wù)瀏覽與使用和服務(wù)聯(lián)動更新4 個方面介紹了具體實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于矢量瓦片技術(shù)的生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)了對生態(tài)破壞問題會商各類數(shù)據(jù)服務(wù)的系統(tǒng)化管理和便捷化應(yīng)用以及地圖服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化和會商業(yè)務(wù)應(yīng)用個性化的有機(jī)結(jié)合，有效提升了生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用效率。然而，本文的研究重點(diǎn)是矢量數(shù)據(jù)服務(wù)，生態(tài)破壞問題會商數(shù)據(jù)種類多樣，后續(xù)將針對影像、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)服務(wù)方法進(jìn)行研究和探索，力爭形成完整的生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)體系。