CN103412863A - 面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化实现方法，首先，PC(Personal Computer)端对矢量地图进行预处理：对矢量地图进行多尺度表达，并将多尺度表达结果存储在嵌入式sqlite数据库中，最终生成一个多尺度空间数据库文件XX.db及一个关联的配置文件XX.zlw；然后，将数据库文件XX.db及配置文件XX.zlw拷贝到PDA(Personal Digital Assistant)上；最后，PDA端导入矢量数据并显示。本发明能够确保在对任意复杂的矢量数据进行简化过程中始终保持矢量数据本身及矢量数据之间的空间关系拓扑一致性，实现矢量数据多尺度表达，满足用户在不同显示比例尺下浏览不同尺度数据的需求，加快数据查询访问的速度，提升嵌入式设备实时处理矢量地图的能力，加快嵌入式设备上地图显示的速度，确保屏幕显示内容清晰易读。

Description

面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化实现方法

技术领域

本发明涉及地理信息系统(GIS)技术、计算机图形学以及地图显示处理方式领域，尤其涉及一种面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化实现方法。 

背景技术

国土行业土地管理部门要求在资源有限的移动设备PDA上进行大容量矢量地图的处理与快速显示。目前基于PC机的矢量地图数据处理和显示方法已十分成熟。但由于嵌入式硬件设备在内存、存储能力、计算能力、屏幕大小等方面都无法与PC机相比拟，并且空间数据又具有几何复杂度高、数据量大等特点，所以不能将PC平台的矢量地图数据处理和显示方法直接移植用于嵌入式平台上。已有的大多数研究成果主要从采用多种索引机制组织空间数据，优化显示机制两方面提升嵌入式GIS矢量地图显示速度。但这类方法存在一定的不足，创建索引和维护索引要耗费时间，且这种时间随着数据量的增加而增加，同时索引文件占用的内存也会随着数据量的增加而扩大。因此，研究一种可靠的且效率高的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化方法就十分必要。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在移动终端PDA上实现大容量矢量地图多细节层次可视化的实现方法。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，所述步骤包括： 

（1）PC端对矢量地图进行预处理：PC端采用取舍、合并、化简等一系列综合操作对矢量地图进行多尺度表达；将多尺度表达结果存储在嵌入式sqlite数据库中，最终生成一个多尺度空间数据库文件XX.db及一个关联的配置文件XX.zlw； 

所述预处理过程包括： 

（1.1）PC端需要首先获取相关参数：①矢量地图原始比例尺分母S；②屏幕坐标系下最小可视目标直径D；③矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；④移动终端PDA屏幕分辨率H×W；⑤屏幕坐标系下最小可视图斑面积A； 

其中，S和D用于计算地理坐标系下改进的DP(Douglas-Peucker)算法中初始距离阈值T₀＝D*S；Left、Right、Top、Bottom、H、W、A用于计算图斑取舍、合并算法中地理坐标系下小图斑初始面积阈值 $M_0=A*{\left(\max \right\{\frac{\mathrm{Right}-\mathrm{Left}}{W},\frac{\mathrm{Top}-\mathrm{Bottom}}{H}\left\}\right)}^2;$

（1.2）PC端对每个shp图层进行LOD多尺度表达与存储： 

①将该shp图层中所有图斑要素读入内存，并以自定义格式存储在map容器中； 

②创建数据库表，将该shp图层中原始图斑要素数据作为LOD第0层数据存入数据库中，数据库表命名方式为“LayerName_i”，其中，LayerName为shp图层名，i为LOD因子；表的属性字段包含一般属性字段和几何属性字段，其中，一般属性字段存储图斑要素的属性信息数据，几何属性字段存储图斑要素的空间信息数据，表中的每条记录对应一个图斑要素； 

③根据公式（1）计算LOD第i层地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，从map容器中依次取出图斑要素进行判断，判断该图斑的面积是否小于当前地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，若是则依据公共边最长原则将非孤立的小图斑与相邻接的图斑合并，将孤立的小图斑直接删除，更新map容器；若map容器为空，则结束对该shp图层的多尺度表达操作； 

M_i＝2²ⁱ*M₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （1） 

其中，N为LOD总层数，由用户根据实际情况确定； 

④在map容器不为空的条件下，根据公式（2）计算LOD第i层地理坐标系下改进的拓扑一致性简化算法中距离阈值参数T_i，采用改进的算法对图斑进行压缩简化，并更新map容器； 

T_i＝2ⁱ*T₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （2） 

⑤经过步骤③和④的综合操作后，创建表名为“LayerName_i”的数据库表，将当前map容器中的图斑要素存入该表中，++i,若i<=(N-1)，则继续上述步骤③～⑤的操作。 

（1.3）将下列矢量地图相关信息存储在配置文件中：①矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；②每个shp图层的图层名及其LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)，其中，N_j为第j个shp图层的LOD实际总层数(N_j<=N)；③LOD每层关联的显示比例因子  $R_i=\frac{1}{2^{(N_{\max }-1)-i}},i=\mathrm{0,1,2},...,(N_{\max }-1),$ 其中，N_max＝max{N_j,j＝0,1,2...}； 

（2）将数据库文件XX.db及配置文件XX.zlw拷贝到PDA上； 

（3）PDA端导入矢量数据并显示：当PDA端矢量地图渲染模块接收到全图显示、放大、缩小、平移的操作请求时，矢量地图渲染模块首先计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素，然后从数据库文件中快速查找并读取所要显示的图斑要素，最后利用图形设备双缓冲机制将所要显示的图斑要素显示到屏幕窗口中。 

进一步地，所述步骤（3）中计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为：计算当前显示比例尺：若当前请求操作是全图显示操作，则根据所有可视化图层的最小外包矩形和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是以固定比例放大或缩小操作，则将上一次显示比例尺除以或乘以设定的缩放系数就可得到当前显示比例尺；若当前请求操作是框选放大或缩小操作，则根据框选矩形大小和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是平移操作，则显示比例尺不变；计算查询地理范围：将屏幕显示范围经坐标转换，转换成地理坐标下的地理范围，所述缩放系数为2。 

进一步地，所述步骤（3）中获取当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为： 

（1）计算当前显示比例尺和全图显示比例尺之间的比率； 

（2）采用二分法搜索最佳匹配LOD层的LOD因子MatchLevel； 

（3）根据shp图层的LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)和MatchLevel，决定当前显示比例尺下该图层中的图斑要素是否显示，如果(N_j-1)>=MatchLevel，则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素可显示，然后根据shp图层名和MatchLevel获得对应的数据库表名；反之则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素不可显示； 

（4）根据数据库表名和查询地理范围，通过SQL查询语句SELECT语句过滤掉屏幕窗口显示范围以外的图斑； 

（5）从数据库中读取当前显示屏幕所要显示的图斑要素到内存；若当前请求操作是平移操作，则先从缓存中查找所要显示的图斑要素，如部分图斑要素在缓存中已存在，则这一部分数据不需再次从数据库中读取，直接从缓存里调用。 

进一步地，所述步骤（3）中利用图形设备双缓冲机制渲染当前屏幕所要显示的图斑要素步骤为：在内存中开辟2个缓冲区，即一个前台缓冲区和一个后台缓冲区（不显示在屏幕上的内存区域），绘图时先将所有待显示图斑对象写入后台缓冲区的位图上，再把后台缓冲区中的位图拷贝到屏幕上进行显示，这样用户能够直接看到绘制好的整幅地图，而看不到绘制的过程。 

进一步地，所述步骤（1）中屏幕坐标系下最小可视目标直径D为0.3mm—0.5mm。 

进一步地，所述步骤（1）中屏幕坐标系下最小可视图斑面积A为768平方像素。 

有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点： 

（1）能够确保在对任意复杂的矢量数据进行简化过程中始终保持矢量数据本身及矢量数据之间的空间关系拓扑一致性。 

（2）实现了矢量地图的多尺度表达，建立了多尺度空间数据库，满足用户在不同显示比例尺下浏览不同尺度数据的需求。 

（3）采用sqlite数据库管理空间数据，通过数据库自身的强大查询机制和数据库对矢量数据的几何数据和属性数据进行一体化管理，加快数据查询访问的速度。 

（4）提升了嵌入式设备实时处理矢量地图的能力，加快了嵌入式设备上地图显示的速度，确保了屏幕显示内容清晰易读。 

附图说明

图1是本发明的流程示意图。 

图2是本发明中的PC端对矢量数据进行多尺度表达与存储方法的流程示意图。 

图3是本发明中的PDA端矢量地图渲染模块快速调度与显示矢量数据方法的流程示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示，一种面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，所述步骤包括： 

（1）PC端对矢量地图进行预处理：PC端采用取舍、合并、化简等一系列综合操作对矢量地图进行多尺度表达；将多尺度表达结果存储在嵌入式sqlite数据库中，最终生成一个多尺度空间数据库文件XX.db及一个关联的配置文件XX.zlw； 

所述预处理过程包括： 

（1.1）PC端需要首先获取相关参数：①矢量地图原始比例尺分母S；②屏幕坐标系下最小可视目标直径D；③矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；④移动终端PDA屏幕分辨率H×W；⑤屏幕坐标系下最小可视图斑面积A； 

其中，S和D用于计算地理坐标系下改进的DP(Douglas-Peucker)算法中初始距离阈值T₀＝D*S；Left、Right、Top、Bottom、H、W、A用于计算图斑取舍、合并算法中地理坐标系下小图斑初始面积阈值 $M_0=A*{\left(\max \right\{\frac{\mathrm{Right}-\mathrm{Left}}{W},\frac{\mathrm{Top}-\mathrm{Bottom}}{H}\left\}\right)}^2;$

（1.2）如图2所示，PC端对每个shp图层进行LOD多尺度表达与存储： 

①将该shp图层中所有图斑要素读入内存，并以自定义格式存储在map容器中； 

②创建数据库表，将该shp图层中原始图斑要素数据作为LOD第0层数据存入数据库中，数据库表命名方式为“LayerName_i”，其中，LayerName为shp图层名，i为LOD因子；表的属性字段包含一般属性字段和几何属性字段，其中，一般属性字段存 储图斑要素的属性信息数据，几何属性字段存储图斑要素的空间信息数据，表中的每条记录对应一个图斑要素； 

③根据公式（1）计算LOD第i层地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，从map容器中依次取出图斑要素进行判断，判断该图斑的面积是否小于当前地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，若是则依据公共边最长原则将非孤立的小图斑与相邻接的图斑合并，将孤立的小图斑直接删除，更新map容器；若map容器为空，则结束对该shp图层的多尺度表达操作； 

M_i＝2²ⁱ*M₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （1） 

其中，N为LOD总层数，由用户根据实际情况确定； 

④在map容器不为空的条件下，根据公式（2）计算LOD第i层地理坐标系下改进的拓扑一致性简化算法中距离阈值参数T_i，采用改进的算法对图斑进行压缩简化，并更新map容器； 

T_i＝2ⁱ*T₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （2） 

⑤经过步骤③和④的综合操作后，创建表名为“LayerName_i”的数据库表，将当前map容器中的图斑要素存入该表中，++i,若i<=(N-1)，则继续上述步骤③～⑤的操作。 

（1.3）将下列矢量地图相关信息存储在配置文件中：①矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；②每个shp图层的图层名及其LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)，其中，N_j为第j个shp图层的LOD实际总层数(N_j<=N)；③LOD每层关联的显示比例因子  $R_i=\frac{1}{2^{(N_{\max }-1)-i}},i=\mathrm{0,1,2},...,(N_{\max }-1),$ 其中，N_max＝max{N_j,j＝0,1,2...}； 

（2）将数据库文件XX.db及配置文件XX.zlw拷贝到PDA上； 

（3）PDA端导入矢量数据并显示：当PDA端矢量地图渲染模块接收到全图显示、放大、缩小、平移的操作请求时，矢量地图渲染模块首先计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素，然后从数据库文件中快速查找并读取所要显示的图斑要素，最后利用图形设备双缓冲机制将所要显示的图斑要素显示到屏幕窗口中。 

如图3所示，步骤（3）中计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为：计算当前显示比例尺：若当前请求操作是全图显示操作，则根据所有可视化图层的最小外包矩形和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是以固定比例放大或缩小操作，则将上一次显示比例尺除以或乘以设定的缩放系数（本发明中算法中缩放系数设为2）就可得到当前显示比例尺；若当前请求操作是框选放大或缩小操作，则根据框 选矩形大小和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是平移操作，则显示比例尺不变；计算查询地理范围：将屏幕显示范围经坐标转换，转换成地理坐标下的地理范围。 

步骤（3）中获取当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为： 

（1）计算当前显示比例尺和全图显示比例尺之间的比率； 

（2）采用二分法搜索最佳匹配LOD层的LOD因子MatchLevel； 

（3）根据shp图层的LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)和MatchLevel，决定当前显示比例尺下该图层中的图斑要素是否显示，如果(N_j-1)>=MatchLevel，则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素可显示，然后根据shp图层名和MatchLevel获得对应的数据库表名；反之则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素不可显示； 

（4）根据数据库表名和查询地理范围，通过SQL查询语句SELECT语句过滤掉屏幕窗口显示范围以外的图斑； 

（5）从数据库中读取当前显示屏幕所要显示的图斑要素到内存；若当前请求操作是平移操作，则先从缓存中查找所要显示的图斑要素，如部分图斑要素在缓存中已存在，则这一部分数据不需再次从数据库中读取，直接从缓存里调用。 

步骤（3）中中利用图形设备双缓冲机制渲染当前屏幕所要显示的图斑要素步骤为：在内存中开辟2个缓冲区，即一个前台缓冲区和一个后台缓冲区（不显示在屏幕上的内存区域），绘图时先将所有待显示图斑对象写入后台缓冲区的位图上，再把后台缓冲区中的位图拷贝到屏幕上进行显示，这样用户能够直接看到绘制好的整幅地图，而看不到绘制的过程。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤包括：

（1）PC端对矢量地图进行预处理：PC端采用取舍、合并、化简一系列综合操作对矢量地图进行多尺度表达；将多尺度表达结果存储在嵌入式sqlite数据库中，最终生成一个多尺度空间数据库文件XX.db及一个关联的配置文件XX.zlw；

所述预处理过程包括：

（1.1）PC端需要首先获取相关参数：①矢量地图原始比例尺分母S；②屏幕坐标系下最小可视目标直径D；③矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；④移动终端PDA屏幕分辨率H×W；⑤屏幕坐标系下最小可视图斑面积A；

其中，S和D用于计算地理坐标系下改进的DP算法中初始距离阈值T₀＝D*S；Left、Right、Top、Bottom、H、W、A用于计算图斑取舍、合并算法中地理坐标系下小图斑初始面积阈值 $M_0=A*{\left(\max \right\{\frac{\mathrm{Right}-\mathrm{Left}}{W},\frac{\mathrm{Top}-\mathrm{Bottom}}{H}\left\}\right)}^2;$

（1.2）PC端对每个shp图层进行LOD多尺度表达与存储：

①将该shp图层中所有图斑要素读入内存，并以自定义格式存储在map容器中；

②创建数据库表，将该shp图层中原始图斑要素数据作为LOD第0层数据存入数据库中，数据库表命名方式为“LayerName_i”，其中，LayerName为shp图层名，i为LOD因子；表的属性字段包含一般属性字段和几何属性字段，其中，一般属性字段存储图斑要素的属性信息数据，几何属性字段存储图斑要素的空间信息数据，表中的每条记录对应一个图斑要素；

③根据公式（1）计算LOD第i层地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，从map容器中依次取出图斑要素进行判断，判断该图斑的面积是否小于当前地理坐标系下小图斑面积阈值M_i，若是则依据公共边最长原则将非孤立的小图斑与相邻接的图斑合并，将孤立的小图斑直接删除，更新map容器；若map容器为空，则结束对该shp图层的多尺度表达操作；

M_i＝2²ⁱ*M₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （1）

其中，N为LOD总层数，由用户根据实际情况确定；

④在map容器不为空的条件下，根据公式（2）计算LOD第i层地理坐标系下改进的拓扑一致性简化算法中距离阈值参数T_i，采用改进的算法对图斑进行压缩简化，并更新map容器；

T_i＝2ⁱ*T₀,i＝0,1,2,...,(N-1)  （2）

⑤经过步骤③和④的综合操作后，创建表名为“LayerName_i”的数据库表，将当前map容器中的图斑要素存入该表中，++i,若i<=(N-1)，则继续上述步骤③～⑤的操作。

（1.3）将下列矢量地图相关信息存储在配置文件中：①矢量地图地理范围Left、Right、Top、Bottom；②每个shp图层的图层名及其LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)，其中，N_j为第j个shp图层的LOD实际总层数(N_j<=N)；③LOD每层关联的显示比例因子 $R_i=\frac{1}{2^{(N_{\max }-1)-i}},i=\mathrm{0,1,2},...,(N_{\max }-1),$ 其中，N_max＝max{N_j,j＝0,1,2...}；

（2）将数据库文件XX.db及配置文件XX.zlw拷贝到PDA上；

（3）PDA端导入矢量数据并显示：当PDA端矢量地图渲染模块接收到全图显示、放大、缩小、平移的操作请求时，矢量地图渲染模块首先计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素，然后从数据库文件中快速查找并读取所要显示的图斑要素，最后利用图形设备双缓冲机制将所要显示的图斑要素显示到屏幕窗口中。

2.根据权利要求1所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤（3）中计算当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为：①计算当前显示比例尺：若当前请求操作是全图显示操作，则根据所有可视化图层的最小外包矩形和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是以固定比例放大或缩小操作，则将上一次显示比例尺除以或乘以设定的缩放系数就可得到当前显示比例尺；若当前请求操作是框选放大或缩小操作，则根据框选矩形大小和PDA屏幕显示范围计算出当前显示比例尺；若当前请求操作是平移操作，则显示比例尺不变；②计算查询地理范围：将屏幕显示范围经坐标转换，转换成地理坐标下的地理范围。

3.根据权利要求2所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述缩放系数为2。

4.根据权利要求1所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤（3）中获取当前显示屏幕所要显示的图斑要素步骤为：

（1）计算当前显示比例尺和全图显示比例尺之间的比率；

（2）采用二分法搜索最佳匹配LOD层的LOD因子MatchLevel；

（3）根据shp图层的LOD最概要层的LOD因子(N_j-1)和MatchLevel，决定当前显示比例尺下该图层中的图斑要素是否显示，如果(N_j-1)>=MatchLevel，则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素可显示，然后根据shp图层名和MatchLevel获得对应的数据库表名；反之则表示当前显示比例尺下该图层中的图斑要素不可显示；

（4）根据数据库表名和查询地理范围，通过SQL查询语句SELECT语句过滤掉屏幕窗口显示范围以外的图斑；

（5）从数据库中读取当前显示屏幕所要显示的图斑要素到内存；若当前请求操作是平移操作，则先从缓存中查找所要显示的图斑要素，如部分图斑要素在缓存中已存在，则这一部分数据不需再次从数据库中读取，直接从缓存里调用。

5.根据权利要求1所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤（3）中利用图形设备双缓冲机制渲染当前屏幕所要显示的图斑要素步骤为：在内存中开辟2个缓冲区，即一个前台缓冲区和一个后台缓冲区，绘图时先将所有待显示图斑对象写入后台缓冲区的位图上，再把后台缓冲区中的位图拷贝到屏幕上进行显示。

6.根据权利要求1所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤（1）中屏幕坐标系下最小可视目标直径D为0.3mm—0.5mm。

7.根据权利要求1所述的面向嵌入式设备的大容量矢量地图快速可视化的实现方法，其特征在于：所述步骤（1）中屏幕坐标系下最小可视图斑面积A为768平方像素。

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