嵌入式GIS地圖快速顯示方法的應用

摘 要： 為提高嵌入式GIS 環(huán)境下矢量地圖的顯示速度， 設計了一種適用于嵌入式環(huán)境基于LOD 的地圖數據組織模型。 針對嵌入式設備硬件條件限制， 從減少非顯示區域的冗余地圖數據的讀取和提高外存檢索矢量數據的效率兩方面入手， 對矢量地圖數據進(jìn)行了分層、分塊和建立索引等處理。 通過(guò)實(shí)驗表明， 該方法能很好地提高矢量地圖的顯示速度， 可以滿(mǎn)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（Geographic InformaTION System, 簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）產(chǎn)品被廣泛應用于交通、測繪、環(huán)境、國防、航空航天等與國民經(jīng)濟乃至國家命脈相關(guān)的重要領(lǐng)域，帶來(lái)了顯著(zhù)的經(jīng)濟和社會(huì )效益。近年來(lái)隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展， GIS 技術(shù)也逐步應用于以手機、掌上電腦為代表的移動(dòng)終端， 使得嵌入式GIS 成為當今GIS 研究領(lǐng)域的一個(gè)重要趨勢。 當前地圖數據量巨大，要求地圖刷新頻率高、實(shí)時(shí)性強， 普通桌面系統的地圖顯示方法很難適用于存儲器容量小、處理器性能低的嵌入式系統， 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(wèn)題。 矢量地圖擁有數據結構緊湊，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學(xué)模型， 設計了基于LOD的逐層分塊的地圖數據組織結構， 并以此為基礎建立網(wǎng)格索引， 通過(guò)實(shí)驗證明該方法可有效提高地圖顯示速度。

　　2 矢量地圖顯示數學(xué)模型

　　地圖的數據組織結構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學(xué)模型分析研究，合理組織地圖數據， 才能有效提高地圖顯示速度。

　　由于電子地圖的數據量較大， 嵌入式設備的地圖數據一般會(huì )存放在外存儲器中， 系統顯示地圖時(shí)需要先將地圖數據讀入內存， 再由地圖繪制程序解析內存中的數據， 將地圖顯示在屏幕上。 假設某矢量地圖數據占用物理存儲空間為D, 數據讀入內存速度為V1,顯示速度為V2, 數據讀取準備時(shí)間為f （n） , 用戶(hù)可等待時(shí)間為T(mén), 嵌入式設備內存容量為R, 則有以下公式成立：

　　嵌入式設備內存容量一定， 若V1, V2, T 為常數，則必須減少D 和f （n）才能滿(mǎn)足數據顯示和處理的要求，提高地圖的顯示速度。

　　通過(guò)對地圖顯示數學(xué)模型的分析可以發(fā)現， 要使地圖的顯示速度達到最快， 需要解決兩個(gè)問(wèn)題： 一是盡量減少地圖非屏幕顯示區域的數據量， 即根據顯示范圍限制讀入的數據量； 二是要能以最快的速度從龐大的地圖數據中找到當前顯示范圍所涉及的相關(guān)數據。

　　針對問(wèn)題一， 本文采用逐層分塊策略組織地圖數據， 減少非屏幕區域的數據讀入； 對于問(wèn)題二， 則對圖塊建立索引， 以降低外存調度當前顯示數據的時(shí)間。

　　3 矢量地圖快速顯示策略

　　3.1 數據組織模型設計

　　作者引入多細節層次LOD（Levels of Detail）技術(shù)思想，該技術(shù)最初是一種運用于控制三維場(chǎng)景復雜程度的技術(shù)， 其基本思想是： 在建立地表模型時(shí)， 應充分考慮人的視覺(jué)特點(diǎn)， 對處于視覺(jué)不同區域的模型采用不同的分辨率表示， 這樣整個(gè)地表模型就表現為以塊為單位的具有多分辨率的細節層次模型， 當從近處觀(guān)察物體時(shí)， 采用精細模型， 當從遠處觀(guān)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(chǎng)景， 對于矢量地圖的快速顯示同樣適用。

　　系統對每個(gè)地圖分別制作多個(gè)比例尺的地圖數據，同時(shí)參考地圖地理要素的規范， 根據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(guò)程中， 可根據當前顯示比例尺， 確定需要顯示的地理要素。 同時(shí)考慮到嵌入式設備顯示屏幕較小， 顯示覆蓋范圍相對有限， 需根據顯示屏幕尺寸對矢量地圖數據進(jìn)行分塊處理， 以減少地圖顯示時(shí)讀入內存的冗余數據。 通過(guò)上述對矢量地圖的分層分塊組織， 便形成了基于LOD 的逐層分塊地圖數據組織模型， 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的數據集合， 并實(shí)現根據設備顯示范圍讀入相應圖塊數據， 從而大大減少地圖數據讀取和顯示數據量， 提高了地圖顯示的效率。

圖1 基于LOD 的逐層分塊地圖數據組織模型

　　3.2 矢量地圖數據分層處理

　　在地圖的顯示過(guò)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， 在當前已顯示的地理要素基礎上， 相對次要的地理要素也需顯示出來(lái)。 基于這一特性， 可將地圖數據所描述的地理要素依據其重要性特征分為多個(gè)數據層次， 即對所需顯示的地圖按照圖層的重要程度設置一個(gè)顯示參數， 該參數代表地圖放大到什么程度時(shí)， 才顯示該圖層。 劃分的地圖數據層次依次記為L(cháng)1, 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(lèi)推。

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

　　本文依據地理要素的屬性， 按照以下原則確定顯示參數將：

　?、?對于基礎地理要素， 如道路、橋梁、河流、行政區邊界等， 在國家標準《基礎地理信息要素分類(lèi)與代碼》中采用要素編碼區分了其重要性特征， 可以參考其要素編碼設定顯示參數；② 對于非基礎地理要素， 如學(xué)校、酒店、商業(yè)街區、街區居民地等， 其重要性特征沒(méi)有統一的標準， 則根據這類(lèi)地理要素自身包含的等級屬性， 如酒店星級、街區面積等來(lái)確定顯示參數。

　　以某城市公路網(wǎng)為例， 采用道路要素編碼為顯示參數進(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(xiàn)； L2 記錄城市三級道路： 市內主干道， L3 記錄四級道路： 市內次干道， L4 記錄城市五級道路： 市區分支街道。 地圖顯示時(shí)， 不同層次細節顯示需要在上一層次顯示的基礎上讀入相應Li 的數據集合來(lái)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 矢量地圖數據分塊方法

　　要提高地圖的顯示速度， 應盡量減少地圖非屏幕顯示區域的數據量， 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 系統地圖數據處理的基本單元。