嵌入式GIS地圖快速顯示方法的應(yīng)用

摘 要： 為提高嵌入式GIS 環(huán)境下矢量地圖的顯示速度， 設(shè)計(jì)了一種適用于嵌入式環(huán)境基于LOD 的地圖數(shù)據(jù)組織模型。 針對嵌入式設(shè)備硬件條件限制， 從減少非顯示區(qū)域的冗余地圖數(shù)據(jù)的讀取和提高外存檢索矢量數(shù)據(jù)的效率兩方面入手， 對矢量地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了分層、分塊和建立索引等處理。 通過實(shí)驗(yàn)表明， 該方法能很好地提高矢量地圖的顯示速度， 可以滿足嵌入式環(huán)境下地圖快速顯示的要求。

　　1 引言

　　地理信息系統(tǒng)（Geographic InformaTION System, 簡稱GIS）產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于交通、測繪、環(huán)境、國防、航空航天等與國民經(jīng)濟(jì)乃至國家命脈相關(guān)的重要領(lǐng)域，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。近年來隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展， GIS 技術(shù)也逐步應(yīng)用于以手機(jī)、掌上電腦為代表的移動(dòng)終端， 使得嵌入式GIS 成為當(dāng)今GIS 研究領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢。 當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)量巨大，要求地圖刷新頻率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)， 普通桌面系統(tǒng)的地圖顯示方法很難適用于存儲(chǔ)器容量小、處理器性能低的嵌入式系統(tǒng)， 提高地圖的顯示效率成為嵌入式GIS產(chǎn)品研發(fā)的首要問題。 矢量地圖擁有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低； 圖形顯示質(zhì)量好， 精度高， 不失真等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用與嵌入式移動(dòng)終端。 本文針對矢量電子地圖研究了地圖顯示數(shù)學(xué)模型， 設(shè)計(jì)了基于LOD的逐層分塊的地圖數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)， 并以此為基礎(chǔ)建立網(wǎng)格索引， 通過實(shí)驗(yàn)證明該方法可有效提高地圖顯示速度。

　　2 矢量地圖顯示數(shù)學(xué)模型

　　地圖的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)是影響地圖顯示速度的核心因素。 因此， 要對矢量地圖顯示數(shù)學(xué)模型分析研究，合理組織地圖數(shù)據(jù)， 才能有效提高地圖顯示速度。

　　由于電子地圖的數(shù)據(jù)量較大， 嵌入式設(shè)備的地圖數(shù)據(jù)一般會(huì)存放在外存儲(chǔ)器中， 系統(tǒng)顯示地圖時(shí)需要先將地圖數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存， 再由地圖繪制程序解析內(nèi)存中的數(shù)據(jù)， 將地圖顯示在屏幕上。 假設(shè)某矢量地圖數(shù)據(jù)占用物理存儲(chǔ)空間為D, 數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存速度為V1,顯示速度為V2, 數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)備時(shí)間為f （n） , 用戶可等待時(shí)間為T, 嵌入式設(shè)備內(nèi)存容量為R, 則有以下公式成立：

　　嵌入式設(shè)備內(nèi)存容量一定， 若V1, V2, T 為常數(shù)，則必須減少D 和f （n）才能滿足數(shù)據(jù)顯示和處理的要求，提高地圖的顯示速度。

　　通過對地圖顯示數(shù)學(xué)模型的分析可以發(fā)現(xiàn)， 要使地圖的顯示速度達(dá)到最快， 需要解決兩個(gè)問題： 一是盡量減少地圖非屏幕顯示區(qū)域的數(shù)據(jù)量， 即根據(jù)顯示范圍限制讀入的數(shù)據(jù)量； 二是要能以最快的速度從龐大的地圖數(shù)據(jù)中找到當(dāng)前顯示范圍所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　針對問題一， 本文采用逐層分塊策略組織地圖數(shù)據(jù)， 減少非屏幕區(qū)域的數(shù)據(jù)讀入； 對于問題二， 則對圖塊建立索引， 以降低外存調(diào)度當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)的時(shí)間。

　　3 矢量地圖快速顯示策略

　　3.1 數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計(jì)

　　作者引入多細(xì)節(jié)層次LOD（Levels of Detail）技術(shù)思想，該技術(shù)最初是一種運(yùn)用于控制三維場景復(fù)雜程度的技術(shù)， 其基本思想是： 在建立地表模型時(shí)， 應(yīng)充分考慮人的視覺特點(diǎn)， 對處于視覺不同區(qū)域的模型采用不同的分辨率表示， 這樣整個(gè)地表模型就表現(xiàn)為以塊為單位的具有多分辨率的細(xì)節(jié)層次模型， 當(dāng)從近處觀察物體時(shí)， 采用精細(xì)模型， 當(dāng)從遠(yuǎn)處觀察物體時(shí)采用較為粗糙的模型[5]. 這一思想不僅限用于三維場景， 對于矢量地圖的快速顯示同樣適用。

　　系統(tǒng)對每個(gè)地圖分別制作多個(gè)比例尺的地圖數(shù)據(jù)，同時(shí)參考地圖地理要素的規(guī)范， 根據(jù)要素的重要程度將不同比例尺地圖中的圖層劃分為不同的顯示層次，這樣電子地圖在縮放顯示過程中， 可根據(jù)當(dāng)前顯示比例尺， 確定需要顯示的地理要素。 同時(shí)考慮到嵌入式設(shè)備顯示屏幕較小， 顯示覆蓋范圍相對有限， 需根據(jù)顯示屏幕尺寸對矢量地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理， 以減少地圖顯示時(shí)讀入內(nèi)存的冗余數(shù)據(jù)。 通過上述對矢量地圖的分層分塊組織， 便形成了基于LOD 的逐層分塊地圖數(shù)據(jù)組織模型， 如圖1所示。

　　地圖顯示時(shí)， 在不同顯示層次上需要讀入相應(yīng)的數(shù)據(jù)集合， 并實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)備顯示范圍讀入相應(yīng)圖塊數(shù)據(jù)， 從而大大減少地圖數(shù)據(jù)讀取和顯示數(shù)據(jù)量， 提高了地圖顯示的效率。

圖1 基于LOD 的逐層分塊地圖數(shù)據(jù)組織模型

　　3.2 矢量地圖數(shù)據(jù)分層處理

　　在地圖的顯示過程中， 地圖縮小時(shí)屏幕覆蓋地圖的范圍增大， 只需顯示主要地理要素對象， 相對次要的地理要素可隱藏而不顯示； 地圖放大顯示時(shí)屏幕覆蓋范圍減小， 在當(dāng)前已顯示的地理要素基礎(chǔ)上， 相對次要的地理要素也需顯示出來。 基于這一特性， 可將地圖數(shù)據(jù)所描述的地理要素依據(jù)其重要性特征分為多個(gè)數(shù)據(jù)層次， 即對所需顯示的地圖按照圖層的重要程度設(shè)置一個(gè)顯示參數(shù)， 該參數(shù)代表地圖放大到什么程度時(shí)， 才顯示該圖層。 劃分的地圖數(shù)據(jù)層次依次記為L1, L2, L3, …， 其中L1 記錄地圖中最主要的地理要素，L2記錄次重要的地理要素， L3記錄一般性地理要素， 依此類推。

　　實(shí)際操作時(shí)， 對地圖數(shù)據(jù)分層處理顯示參數(shù)的確定非常重要， 其選擇的優(yōu)劣直接影響地圖顯示效率。

　　本文依據(jù)地理要素的屬性， 按照以下原則確定顯示參數(shù)將：

　　① 對于基礎(chǔ)地理要素， 如道路、橋梁、河流、行政區(qū)邊界等， 在國家標(biāo)準(zhǔn)《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》中采用要素編碼區(qū)分了其重要性特征， 可以參考其要素編碼設(shè)定顯示參數(shù)；② 對于非基礎(chǔ)地理要素， 如學(xué)校、酒店、商業(yè)街區(qū)、街區(qū)居民地等， 其重要性特征沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 則根據(jù)這類地理要素自身包含的等級屬性， 如酒店星級、街區(qū)面積等來確定顯示參數(shù)。

　　以某城市公路網(wǎng)為例， 采用道路要素編碼為顯示參數(shù)進(jìn)行分層處理， 可分為4 個(gè)層次： L1 記錄城市一級、二級道路： 高速公路及環(huán)線； L2 記錄城市三級道路： 市內(nèi)主干道， L3 記錄四級道路： 市內(nèi)次干道， L4 記錄城市五級道路： 市區(qū)分支街道。 地圖顯示時(shí)， 不同層次細(xì)節(jié)顯示需要在上一層次顯示的基礎(chǔ)上讀入相應(yīng)Li 的數(shù)據(jù)集合來支持， 如圖2 給出某城市公路網(wǎng)L1~L4 的顯示效果。

圖2 某城市公路網(wǎng)不同層次顯示效果圖

3.3 矢量地圖數(shù)據(jù)分塊方法

　　要提高地圖的顯示速度， 應(yīng)盡量減少地圖非屏幕顯示區(qū)域的數(shù)據(jù)量， 因此需對矢量地圖進(jìn)行分割形成地理范圍更小的圖塊， 并將圖塊作為嵌入式GIS 系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)處理的基本單元。