顾及制图表达和要素完整性的双层结构矢量瓦片要素模型

摘要

随着互联网和通信等技术的发展，电子地图的相关应用已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。然而随着用户需求的升级，以栅格瓦片地图为代表的电子地图在用户交互性、样式灵活性、图片分辨率等方面的局限性越来越明显。将矢量数据和瓦片技术相结合构造矢量瓦片地图，可以较好地弥补栅格瓦片地图的不足。如今，矢量瓦片地图的相关研究日渐成为网络电子地图发展的重要方向和研究热点之一。但是，现有的矢量瓦片地图自身也存在一些不足，例如瓦片切片破坏了地理要素原本的结构，当矢量瓦片完成制图表达后，瓦片的接边处可能会出现符号图形的冲突和缺失，从而影响瓦片地图可视化的效果。此外，矢量瓦片数据的交互操作以及客户端的可视化效率都会直接影响用户体验和矢量瓦片地图的应用推广，尽管矢量瓦片地图存在较多需要解决的问题，目前相关研究却寥寥无几。因此，本文基于地图制图学的基本理论和方法，针对矢量瓦片地图存在的主要问题进行深入研究与分析，建立了顾及制图表达和要素完整性的双层结构矢量瓦片要素模型(Two-LevelTiledVectorFeatureModel,TLTVFM)；依托提出的TLTVFM，本文设计了矢量瓦片的要素重建算法和并行可视化框架，提高矢量瓦片地图的使用效率，促进矢量瓦片地图的发展，具体包括以下内容：　　(1)从数据模型的角度提出了双层结构矢量瓦片要素模型。本文从地图制图学的基本理论和方法出发，首先将地理要素制图表达的相关过程和对象抽象为代数结构，再根据地理要素、制图表达和地图要素的关系，定义了地理要素和地图要素的“加法运算符”，并利用代数语言描述矢量瓦片的切片过程，巧妙地将瓦片要素制图表达后地图要素的拼接问题转换成数学上的等式问题，并应用实例对传统的矢量瓦片要素模型产生的可视化问题的原因进行了解释和说明。最后，根据所提出的“加法运算”，针对多种类型的地理要素提出了一套双层结构矢量瓦片要素模型，并用模型推导的方式证明了该模型能够同时兼顾制图表达完整性和要素完整性，通过构建瓦片要素模型保证矢量瓦片地图的可视化表达结果的正确性。　　(2)实现了基于TLTVFM的瓦片要素裁剪算法和瓦片要素重建算法。TLTVFM的模型结构比传统的矢量瓦片要素模型结构更加复杂，使得基于TLTVFM的裁剪算法和要素重建算法面临新的挑战。本文分析了不同类型地理要素的TLTVFM的结构，充分利用矢量瓦片要素裁剪框为矩形这一特点，提出了贴合TLTVFM的高效矢量瓦片要素裁剪算法。此外，为了保证用户能够基于矢量瓦片数据更好地实现交互操作，需要在交互操作之前能够快速地还原完整的地理要素。因此，本文通过设计合理的瓦片文件结构以及索引文件结构，实现基于TLTVFM地理要素的快速重建。　　(3)设计了估算地理要素可视化计算时间的方法。地图可视化效率直接影响矢量瓦片地图应用的用户体验，因此提高矢量瓦片地图的可视化效率对于其应用至关重要。本文提出的TLTVFM可以确保矢量瓦片分块可视化后制图表达结果的正确性，是实现矢量瓦片并行可视化的基础和保障。矢量瓦片地图并行可视化属于尴尬式并行运算，提升其可视化效率的关键在于精确地估算每个计算单元的工作量。为了精确地估算每块瓦片的可视化计算时间，需要预先对地理要素可视化的计算时间进行估算。本文使用可视化计算强度来表示可视化计算时间，将地理要素可视化分解为要素解析、要素制图表达和要素渲染三个步骤。分析多种类型的地理要素在不同的可视化过程中可视化计算强度的影响因素，构建了地理要素不同可视化过程的计算强度函数，并通过线性回归方法拟合出每种类型地理要素的可视化计算强度函数的回归系数。　　(4)探索提升矢量瓦片并行可视化效率的方法，提出了基于瓦片计算强度的并行可视化负载均衡策略。由于矢量瓦片地图并行可视化属于尴尬式并行运算，所以优化其负载均衡策略能够有效地提升可视化效率。考虑到地理要素的空间分布往往是不均匀的，本文提出了基于瓦片计算强度的负载均衡策略，该负载均衡策略只依赖于瓦片的可视化计算强度，与瓦片的空间分布无关。本文首先对每块瓦片的可视化计算强度进行精确地估算，随后根据负载均衡算法将瓦片可视化计算强度进行均匀分配，使得每个计算单元分得的瓦片可视化计算强度总量大体相当，减少计算资源的浪费，从而提升总体的可视化效率。　　(5)提出了相应的评价原则，对本文提出的新模型和新方法的有效性和合理性进行评价。本文利用实验对文中提出的TLTVFM在瓦片可视化、要素重建、瓦片切片效率和数据冗余等方面进行了模型有效性评价。同时，本文对提出的地理要素计算强度函数和基于瓦片计算强度的负载均衡策略的适用性和可行性也通过实验进行了验证。

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