CN107133272A - 一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法 - Google Patents

一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，包括以下几个步骤：(1)制定电网资源GIS数据分级显示规则，在不同比例尺范围显示不同设备类型及电压等级；(2)在不同比例尺范围对线路数据进行分级压缩；(3)客户端根据视口范围进行数据动态调度；(4)将图片绘制到地图的画布上，实现设备实时符号化渲染。本发明可显著提升现有电力GIS应用在Web图形显示方面的流畅性、交互性及灵活性，大大改善用户体验。

Description

一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法
技术领域
本发明涉及一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，属于电力地理信息系统(GIS)技术领域。
背景技术
电网设备的图形展示是电力GIS应用的基本功能，其在Web端的实现主要面临两个问题，一是数据量大：据统计，全国大部分省输变配低电网设备的数据量已达到数千万甚至上亿级；二是电网设备符号类型多、图形复杂：电网GIS中需要展示的设备类型多达数百种，每种设备都有特定符号，其中很多符号的构成比较复杂。因此，实现大数据量场景下Web端电网图形的快速显示已成为相关应用需要解决的关键问题。
目前，在Web端实现大数据量GIS图形展示的方法主要有以下几种：
一、实时动态栅格渲染。这种方案是目前Web端展示大规模电网资源GIS数据的主流方法。主要思路是客户端根据当前视口的范围向服务端发送图形渲染请求，服务端根据请求范围从数据库中实时查询数据并渲染成图片传给客户端显示。该方法由于采用按需渲染策略，可支持海量数据场景应用，且符号绘制由服务端完成，对客户端渲染能力要求不高。其主要缺点为：(1)服务端同时承担了数据检索和图形渲染的任务，负载较大；(2)由于Web端获取的是静态图片，难以实现图形要素的闪烁、鼠标点击动态高亮等人机交互功能；(3)客户端无法动态改变图形要素的颜色、样式，导致诸如电网运行状态监测等很多应用需求难以满足。
二、栅格瓦片渲染。该方法依据特定的二维空间分层网格切分方案，在服务端预先生成一定空间范围和层数的栅格瓦片集，即栅格瓦片金字塔。客户端在地图浏览时根据视口范围从服务端获取视口范围包含的所有瓦片，最终拼接成完整的地图。由于是预先成图，该方法降低了服务端实时绘图的压力，但仍然存在方案一的缺点(2)和(3)。更为关键的是，由于瓦片数量随比例尺的增大而呈现几何级数增加，且难以实现图形的实时更新，并不适合显示级别多、数据变更频繁的电网数据展示，通常只应用于地理底图的展示。
三、矢量瓦片渲染。近几年，随着HTML5技术的迅速发展，提供了强大的画布(Canvas)元素，大大提升了浏览器矢量绘图的能力。由此发展出矢量瓦片技术，该方法将矢量数据以建立金字塔的方式，像栅格瓦片那样分割成一系列描述性文件，以GeoJson格式或自定义格式组织，然后在前端根据窗口范围请求对应的矢量瓦片数据进行绘图。该方法克服了栅格渲染的缺点，具有可交互、样式可控、体积小等优势。但是该方法会将电网设备图形信息分割存放在多个瓦片中，损失了对象完整性，严重影响了业务功能的开发，因此仍然只适合用于地理底图的显示。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，可显著提升现有电力GIS应用在Web图形显示方面的流畅性、交互性及灵活性，大大改善用户体验。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，包括以下几个步骤：
(1)制定电网资源GIS数据分级显示规则，在不同比例尺范围显示不同设备类型及电压等级；
(2)在不同比例尺范围对线路(即架空线与电缆)进行分级压缩；
(3)客户端根据视口范围进行数据动态调度；在客户端建立请求缓存、数据缓存的提高设备渲染速度；
(4)将图片绘制到地图的画布上，实现电网资源实时符号化渲染。
步骤(1)中，所述电网资源GIS数据分级显示规则具体如下：
将地图显示比例尺范围划分为L0、L1、L2……Ln个连续的区间，每个区间称为一个显示级别；每个显示级别包含四个属性：级别ID、最小比例尺、最大比例尺、可见设备信息；其中，所述级别ID是显示级别的唯一标识；所述最小比例尺和最大比例尺规定了该级别所代表的比例尺范围；所述可见设备信息指该显示级别下所有要显示的设备类型以及相应的电压等级信息；
客户端进行图形浏览时，会根据当前地图的比例尺确定显示级别，再根据显示级别得到需要显示的设备类型及电压等级，最后获取相应电网资源数据进行渲染。
步骤(2)中，在不同比例尺范围对线路进行分级数据压缩的方法如下：采用道格拉斯-普克算法对线路节点进行分级抽稀；比例尺越小，抽稀力度越大，数据压缩率越高；制定若干压缩级别，其中，每个压缩级别包含五个属性：级号ID、最小比例尺、最大比例尺、电压等级集合、抽稀阈值；其中，所述级号ID是压缩级别的唯一标识；所述电压等级集合限定了抽稀的电压等级范围(由于大范围的线路显示主要针对高压主干线路，因此具有较高电压等级的线路才需要压缩)；所述抽稀阈值指该级别统一采用的道格拉斯阈值，抽稀阈值越大，抽稀力度越大，抽稀后的线路数据缓存于服务端内存或存储在空间数据库中。
步骤(3)中，数据动态调度的方法如下：
(3-1)客户端创建请求缓存和数据缓存的容器，所述容器采用R树结构；
(3-2)客户端进行图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(3-3)客户端确定当前视口的显示级别和查询空间范围；
(3-4)客户端采用R树查询算法搜索请求缓存，判断是否发送当前视口的数据查询请求，如果需要则进入步骤(3-5)；如果不需要则返回步骤(3-2)；
(3-5)客户端将空间范围、显示级别、当前比例尺作为请求参数向服务端发送数据请求；
(3-6)服务端接收请求，并从请求参数中解析数据查询的空间范围、设备类型及电压等级；
(3-7)服务端执行数据查询：对于非线路(非架空线及电缆线)设备，直接查询空间数据库中的原始数据；对于线路，则首先判断是否需要查询压缩数据，如需要则在空间数据库中查询对应压缩级别的线路数据，如不需要则查询空间数据库中的原始数据；
(3-8)服务端将查询结果组织成Geojson格式字符串返回给客户端；
(3-9)客户端使用Web Worker接口进行多线程数据解析并将解析结果插入数据缓存。
步骤(4)中，使用HTML5提供的方法将图片绘制到地图的画布上。
步骤(4)中，客户端实现设备实时符号化渲染，具体方法如下：
(4-1)开始图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(4-2)从数据缓存中搜索当前视窗范围的设备对象，形成待渲染设备集合，遍历待渲染设备集合；
(4-3)判断遍历是否结束，如果是则结束，如果否则转向步骤(4-4)；
(4-4)获取下一个设备，获取设备对应的符号，判断设备符号类型，如果为线状符号，直接在地图的画布(Canvas)上绘制实线或虚线，并转向步骤(4-3)；如果为点状符号，首先新建一个画布(Canvas)元素，在该元素上绘制符号的基本图元；然后将画布(Canvas)元素转为图片元素；最后将图片绘制于地图的画布上，并转向步骤(4-3)。
上述线状符号指电缆、架空线、连接线设备的符号。
上述点状符号包括变压器、电流互感器、断路器符号。
每种所述点状符号由若干折线、多边形、圆、椭圆、椭圆弧、贝塞尔曲线或文字组合而成。
本发明的有益效果如下：
(1)支持海量电网资源GIS数据在Web端的高性能显示；
(2)由于采用Web端实时渲染，非常适合电网运行分析应用所需要的动态着色和动态标注数据刷新的需求；
(3)由于采用Web端实时渲染，便于实现对象闪烁、鼠标移动/点击动态高亮等效果，能够提供更好的用户体验。
附图说明
图1为本发明的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法总体工作流程图；
图2为电网资源GIS数据动态调度工作流程图；
图3为设备符号化显示工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明的方法具体步骤如下：首先进行电网资源GIS数据显示规则制定和线路抽稀，合理控制图形浏览加载的数据量，降低网络传输及前端绘制压力；其次根据视口范围进行数据动态调度，建立请求缓存以减少请求次数，建立数据缓存提升渲染速度；最后使用HTML5技术进行Web端多线程数据解析与符号化渲染。
本发明与常规的使用静态图片(如png、svg)显示设备符号的方式相比，这种实时绘制的方法可以动态更改符号的颜色，很好的满足了电网运行分析应用所需要的动态着色需求。
一、显示规则制定
制定显示规则的基本原则是：大范围地图(如全国、全省范围)主要展示高电压等级的大型电站、重要输电线路的分布信息；随着地图逐步放大，显示的设备类型和电压等级逐步增加。
具体规则可在上述原则的基础上根据实际应用需求制定。下表是一个显示规则的具体实例：
二、线路数据压缩
线路包含架空线及电缆。在电力GIS应用中，线路是大范围地图上重点展示的信息。由于线路数据量巨大，本发明中预先使用道格拉斯-普克算法对其进行分级压缩，即在不同比例尺范围对线路进行不同程度的节点抽稀。下表是一个分级压缩规则的具体实例：
三、数据动态调度
数据调度的实现流程如图2所示：
(3-1)客户端创建请求缓存和数据缓存容器，容器采用R树结构；
(3-2)客户端进行图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(3-3)客户端计算当前视口的显示级别和空间查询范围；
(3-4)客户端搜索请求缓存，判断是否发送当前视口的数据请求。如果需要则进入下一步；如不需要则返回步骤(3-2)；
(3-5)客户端将空间范围、显示级别、当前比例尺等信息作为请求参数向服务端发送数据请求；
(3-6)服务端接收请求，并从请求参数中解析数据查询的空间条件和属性条件；
(3-7)服务端执行数据查询：对于非线路设备，直接查询空间数据库中的原始数据；对于线路，则首先判断是否需要查询压缩数据，如需要则查询对应压缩级别的线路数据，如不需要则查询空间数据库中的原始数据；
(3-8)服务端将查询结果组织成Geojson格式字符串返回给客户端；
(3-9)客户端使用Web Worker接口进行多线程数据解析并将解析结果插入数据缓存。
本发明中，数据的加载采用按需调度和本地缓存的策略。具体流程如下：
(1)客户端缓存容器创建
客户端建立两个R树结构作为请求缓存和数据缓存，分别记为RTreeRequest、RTreeData。RTreeRequest用于缓存所有已发出的数据请求，其作用是快速判断一个新数据请求是否被已有请求包含，如已被包含，则客户端无需发送，将减少重复请求。每个数据请求作为RTreeRequest中存储的一个条目，记为(I，L)。I为条目最小外接矩形，是数据请求的空间矩形范围，L为数据请求对应的显示级别ID。RTreeData用于缓存所有已获取的设备数据，客户端会从RTreeData中快速检索出当前视口范围的设备对象进行图形绘制。在RTreeData中每个设备作为一个存储条目，记为(R，Data)。R为条目的外接矩形，是设备空间图形的最小外接矩形，Data是设备的空间信息和属性信息。
(2)客户端确定显示级别及查询空间范围
获取当前地图比例尺，根据比例尺在数据显示规则中匹配对应的显示级别，记为LC。客户端获取当前屏幕显示的地理空间范围(为一个矩形范围)，对该范围进行适当外扩，如范围的长、宽分别外扩20％，形成数据查询空间范围，记为IC。进行外扩的原因是客户端将缓存本次请求的空间范围，当进行地图平移浏览时，新的屏幕空间范围如过没有超出上次数据请求的实际空间范围，则无需再次请求。这样可降低数据请求次数，减轻服务端压力。
(3)客户端发送数据查询请求
首先利用R树检索算法从RTreeRequest中快速查找所有与IC有空间重叠的请求条目，形成集合A。遍历A中所有请求条目，如存在某个请求条目(In，Ln)，其查询范围In包含IC且显示级别Ln等于IC，则无需发送请求，流程终止；如没有符合上述条件的请求条目，则向服务端发送数据查询请求，请求参数包括空间矩形范围IC、显示级别LC及当前比例尺SC。发送完成后，将本次请求条目(IC，LC)插入至RTreeRequest中以缓存。
(4)服务端执行查询并返回结果
服务端根据请求参数确定查询条件。其中空间范围条件为IC。属性条件为设备类型和电压等级过滤条件，具体由显示级别LC结合显示规则确定。
对非线路设备，服务端根据上述空间条件、属性条件从空间数据库中查询数据并以GeoJson格式返回给客户端。对线路设备，首先根据本次请求的比例尺SC、电压等级条件由数据压缩规则确定查询数据源。如需查询原始数据，处理过程与非线路设备相同；如需查询压缩数据，则计算压缩级别，从服务端内存缓存或空间数据库中查询对应级别的压缩数据并返回给客户端。
(5)客户端进行设备数据解析与缓存
客户端从服务端获取查询结果后，需将GeoJson字符串解析为内存对象并保存在本地数据缓存RTreeData中。经实测，当返回的数据量较大时，数据解析过程较为耗时，此时页面的状态是不可响应的，导致图形浏览出现卡顿现象。为了提高图形浏览的流畅性，本发明采用HTML5提供的多线程解决方案进行数据解析和重复数据剔除。具体方法为：客户端预先开辟一个Web Worker后台线程，页面主线程获得查询结果GeoJson字符串后，将字符串和已加载设备ID集合传给后台线程，后台线程执行数据解析生成内存对象，并根据已加载设备ID集合剔除已加载设备，形成新加载设备对象的集合传给主线程。主线程获取新加载设备对象集合后，将其全部插入本地设备数据缓存RTreeData中。
四、设备符号化显示
客户端实现设备符号化渲染的实现流程如图3所示。主要过程为：
(4-1)开始图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(4-2)从数据缓存中搜索当前视窗范围的设备对象，形成待渲染设备集合，遍历待渲染设备集合；
(4-3)判断遍历是否结束，如果是则结束，如果否则转向步骤(4-4)；
(4-4)获取下一个设备，获取设备对应的符号，判断设备符号类型，如果为线状符号，直接在地图的画布(Canvas)上绘制实线或虚线，并转向步骤(4-3)；如果为点状符号，首先新建一个画布(Canvas)元素，在该元素上绘制符号的基本图元；然后将画布(Canvas)元素转为图片元素；最后将图片绘制于地图的画布上，并转向步骤(4-3)。
本发明采用HTML5提供的Canvas元素作为地图绘制的画布，在画布(Canvas)上通过JavaScript脚本对基础地理及电网设备信息进行实时绘制。电网设备显示的主要过程为：
(1)利用R树搜索算法从本地缓存RTreeData中快速抽取当前视口地理范围内的设备对象，形成待渲染设备对象集合B。
(2)对集合B中的所有设备对象进行符号化渲染。电网设备图形符号主要分为两类：线状符号和点状符号。线状符号指电缆、架空线、连接线设备的符号，用实线或虚线表示，其绘制比较简单。点状符号包括变压器、电流互感器、断路器等绝大部分电网设备(多达几百种)符号。每种点状符号由若干基本图元(折线、多边形、圆、椭圆、椭圆弧、贝塞尔曲线、文字等)组合而成。本发明中绘制点状符号的方法为：为每个符号建立一个Canvas元素，在此Canvas上绘制符号的基本图形元素，然后将Canvas转成图片(Image元素)，最后使用HTML5提供的drawImage方法将图片绘制到地图的Canvas上。与常规的使用静态图片(如png、svg)显示设备符号的方式相比，这种实时绘制的方法可以动态更改符号的颜色，很好的满足了电网运行分析应用所需要的动态着色需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)制定电网资源GIS数据分级显示规则，在不同比例尺范围显示不同设备类型及电压等级；
(2)在不同比例尺范围对线路进行分级压缩；
(3)客户端根据视口范围进行数据动态调度；
(4)将图片绘制到地图的画布上，实现电网资源的实时符号化渲染。
2.根据权利要求1所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，步骤(1)中，所述电网资源GIS数据分级显示规则具体如下：
将地图显示比例尺范围划分为L0、L1、L2……Ln个连续的区间，每个区间称为一个显示级别；每个显示级别包含四个属性：级别ID、最小比例尺、最大比例尺、可见设备信息；其中，所述级别ID是显示级别的唯一标识；所述最小比例尺和最大比例尺规定了该级别所代表的比例尺范围；所述可见设备信息指该显示级别下所有要显示的设备类型以及相应的电压等级信息；
客户端进行图形浏览时，会根据当前地图的比例尺确定显示级别，再根据显示级别得到需要显示的设备类型及电压等级，最后获取相应电网资源数据进行渲染。
3.根据权利要求1所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，步骤(2)中，在不同比例尺范围对线路进行分级压缩的方法如下：
采用道格拉斯-普克算法对线路的节点进行分级抽稀；制定若干压缩级别，其中，每个压缩级别包含五个属性：级号ID、最小比例尺、最大比例尺、电压等级集合、抽稀阈值；其中，所述级号ID是压缩级别的唯一标识；所述电压等级集合限定了抽稀的电压等级范围；所述抽稀阈值指该级别统一采用的道格拉斯阈值；抽稀后的线路数据缓存于服务端内存或存储在空间数据库中。
4.根据权利要求1所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，步骤(3)中，数据动态调度的方法如下：
(3-1)客户端创建请求缓存和数据缓存的容器，所述容器采用R树结构；
(3-2)客户端进行图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(3-3)客户端确定当前视口的显示级别和查询空间范围；
(3-4)客户端采用R树查询算法搜索请求缓存，判断是否发送当前视口的数据查询请求，如果需要则进入步骤(3-5)；如果不需要则返回步骤(3-2)；
(3-5)客户端将空间范围、显示级别、当前比例尺作为请求参数向服务端发送数据请求；
(3-6)服务端接收请求，并从请求参数中解析数据查询的空间范围、设备类型及电压等级；
(3-7)服务端执行数据查询：对于非线路设备，直接查询空间数据库中的原始数据；对于线路，则首先判断是否需要查询压缩数据，如需要则在空间数据库中查询对应压缩级别的线路数据，如不需要则查询空间数据库中的原始数据；
(3-8)服务端将查询结果组织成Geojson格式字符串返回给客户端；
(3-9)客户端使用Web Worker接口进行多线程数据解析并将解析结果插入数据缓存。
5.根据权利要求1所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，步骤(4)中，使用HTML5提供的方法将图片绘制到地图的画布上。
6.根据权利要求5所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，步骤(4)中，客户端实现设备实时符号化渲染，具体方法如下：
(4-1)开始图形浏览，进行地图平移或缩放，改变当前视口范围；
(4-2)从数据缓存中搜索当前视窗范围的设备对象，形成待渲染设备集合，遍历待渲染设备集合；
(4-3)判断遍历是否结束，如果是则结束，如果否则转向步骤(4-4)；
(4-4)获取下一个设备，获取设备对应的符号，判断设备符号类型，如果为线状符号，直接在地图的画布上绘制实线或虚线，并转向步骤(4-3)；如果为点状符号，首先新建一个画布元素，在该元素上绘制符号的基本图元；然后将画布元素转为图片元素；最后将图片绘制于地图的画布上，并转向步骤(4-3)。
7.根据权利要求6所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，所述线状符号指电缆、架空线、连接线设备的符号。
8.根据权利要求6所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，所述点状符号包括变压器、电流互感器、断路器符号。
9.根据权利要求6所述的Web端海量电网资源GIS数据动态调度与渲染方法，其特征在于，每种所述点状符号由若干折线、多边形、圆、椭圆、椭圆弧、贝塞尔曲线或文字组合而成。
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