CN108052642A - 基于瓦片技术的电子海图显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瓦片技术的电子海图显示的实现方法。首先，服务器将多幅比例尺不同的电子海图按照金字塔层次模型分割为固定尺寸大小的正方形栅格图片，这些栅格图片就是海图瓦片。然后，服务器根据瓦片所在金子塔的层级以及坐标信息对地图瓦片进行编码，并根据海图瓦片的编码信息存储瓦片。其次，客户端利用坐标转换公式确定视窗显示的地理坐标范围，再将地理坐标范围转化为海图瓦片的编号范围，并且根据瓦片的编号向服务器请求海图瓦片。最后，客户端将得到的电子海图瓦片拼接为大纹理，并将大纹理通过OpenGL纹理映射技术渲染显示在屏幕上。本发明提高了电子海图的显示效率，扩展了电子海图的应用场景。

Description

基于瓦片技术的电子海图显示方法

技术领域

本发明涉及基于瓦片技术的电子海图显示方法。

背景技术

WebGIS(网络地图信息系统)是Internet(互联网)技术应用于GIS(地理信息系统)的产物。早期的WebGIS如采用B/S(Browser/Server)架构的WMS(Web Map Server网络地图服务)，其地图渲染原理是由服务器实时渲染绘制为图片，然后再加载到浏览器进行显示。这种渲染方式不可避免的增加了服务器的负荷，与此同时也降低了系统渲染地图的效率。Google(谷歌)提出瓦片地图技术以预先切片(地图瓦片)的方式存储在服务器端，客户端直接请求服务器访问地图瓦片，有效解决了传统WebGIS出图慢，效率低下的问题。瓦片式已经成为目前最为主流的GIS形式。

进入二十一世纪，科学技术的快速发展使人类社会进入了数字化和信息化时代，人们的日常生活越来越离不开各种数字化的智能设备。伴随着国际航运业的快速发展及导航理论的不断提高，船舶导航技术也在不断的发展和完善。电子海图显示与信息系统(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)是随着计算机科学发展而形成的综合式船舶实时导航信息系统，是继雷达/自动雷达标绘仪(Automatic RadarPlotting Aids,ARPA)之后的现代船舶综合导航系统的核心设备。

目前的电子海图信息与显示系统(Electronic Chart Display and InformationSystem,ECDIS)主要是配备在船舶上的单机应用，而且电子海图的显示流程主要是ENC(Electronic Navigational Chart)文件参照S-57《数字航道数据传输标准》解析出海图物标信息，再根据S-52《ECDIS海图内容与显示规范》进行实时绘制显示。为了提高电子海图的显示效率，以及应用范围，基于瓦片技术给出了一种电子海图快速显示的方式。

OpenGL(Open Graphics Library)一种被广泛应用于2D和3D图形应用编程接口(Application Programming Interface,API)的软件库。OpenGL能够直接访问显卡，并且能够直接提供硬件渲染。因此OpenGL能够不受CPU(Central Processing Unit)的限制，实现2D和3D图形的高质量渲染。纹理映射是OpenGL的关键技术。OpenGL不仅可应用于QT，MFC图形界面应用程序开发框架，而且还通过与javaScript绑定，作为Web图形库为HTML canvas提供硬件加速功能，因此OpenGL技术可应用于浏览器、客户端等多种场景。

空间地理经纬度信息采用的是地理坐标系，客户端屏幕采用的是屏幕坐标系。因此将电子海图渲染到屏幕显示的过程需要将地理坐标系转化为世界坐标系，然后再将世界坐标系转化为屏幕坐标系。如说明书附图1，地理坐标系与世界坐标系的转换是通过墨卡托投影转换。而世界坐标与屏幕坐标系的相互转换则是通过比例尺来变换实现。

发明内容

本发明的目的是在于解决现有技术的缺陷，提供一种基于瓦片技术的电子海图显示方法，扩展了电子海图的应用场景，同时基于OpenGL技术实现了电子海图的快速显示。本发明所述基于瓦片技术的电子海图显示方法，包括以下步骤：

步骤一、服务器按照金字塔层次模型分割电子海图。所述步骤一包含两个子步骤：

步骤一(一)、不同的显示级别下电子海图比例尺的计算；金字塔每一层所有的瓦片构成的平面为地理坐标系的平面投影；客户端通过访问不同层级的海图瓦片实现电子海图比例尺的切换，所以金字塔模型的层级N也是客户端电子海图的显示级别；随着金子塔的层级增加，每一层的地图瓦片总数呈指数增加；在金子塔第0层只有1张海图瓦片，在第1层有4张海图瓦片，海图瓦片的大小为256×256像素，依次类推，在金字塔第N层有4^N个海图瓦片；所以电子海图瓦片的比例尺Scale为：

其中，N为金子塔的层数，也是电子海图的显示级别，L为地球赤道的周长，DPI表示屏幕每英寸包含像素的个数，1英寸为0.0256米；

步骤一(二)、利用地图切片工具将不同显示级别的电子海图按照金字塔层次模型分割为长为256像素、宽为256像素的电子海图单元；

步骤二、服务器根据海图瓦片在金字塔层次模型中的位置坐标对海图瓦片进行编码，然后服务器根据海图瓦片编码信息组织存储瓦片；

步骤三、客户端根据用户输入的参数计算客户端视窗显示的地理坐标范围P。所述步骤三包括以下步骤：

步骤三(一)、计算客户端屏幕像素密度PixDensity；

步骤三(二)、计算客户端视窗显示比例尺ViewScale；

步骤三(三)、计算客户端视窗中心的世界坐标(CenterX,CenterY)；

步骤三(四)、计算客户端视窗左上边界点世界坐标(Left,Top)和右下边界点世界坐标(Right,Bottom)，即得到了客户端视窗显示的坐标范围P；

步骤四、根据步骤三得到的地理坐标范围P计算客户端视窗范围内海图瓦片的瓦片坐标范围Q；

步骤五、客户端以海图瓦片的显示级别N，行编号r，和列编号c作为请求参数通过Http协议向服务器请求海图瓦片数据，其中被请求的瓦片坐标满足条件(r,c)∈Q；

步骤六、并将请求到的海图瓦片放入集合List中，如果步骤五请求失败，则使用空白瓦片替代；

步骤七、采用与客户端视窗相同大小的Bitmap作为大纹理，将海图瓦片拼接在Bitmap上。所述步骤七包括以下步骤：

步骤七(一)、创建与显示窗口相同大小的位图Bitmap作为纹理映射的大纹理；

步骤七(二)、遍历集合List，计算瓦片与客户端视窗范围P交集区域，并将瓦片上的交集区域拷贝到位图Bitmap上；

步骤八、利用OpenGL纹理映射技术完成电子海图的渲染显示。所述步骤八包括以下步骤：

步骤八(一)、执行函数glViewPort(0,0,a,b)初始视口，其中a为视窗的宽度，b为视窗的高度；

步骤八(二)、初始化OpenGL状态，执行函数glOrtho(left,right,bottom,top,-1,1)创建正交的视景体，其中left为视窗范围P的左边界的世界坐标，right为视窗范围P的右边界的世界坐标，bottom为视窗范围的下边界的世界坐标，top为视窗范围的上边界的世界坐标。然后执行函数glMatrixMode(GL_MODEVIEW)设置投影模式；

步骤八(三)、将位图Bitmap作为纹理加载到内存，执行函数glGenTextures生成纹理编号；

步骤八(四)、执行函数glBindTexture绑定纹理；

步骤八(五)、执行函数glTexSubImage2D更新纹理，完成电子海图在客户端屏幕的渲染显示。

有益效果

本发明提出一种基于瓦片技术的电子海图系统实现的方法，将电子海图瓦片存储在服务器，然后客户端或者浏览器通过网络请求电子海图瓦片，并渲染显示电子海图。相对于传统的电子海图具有以下优点：(1)扩展了电子海图的应用场景，不再局限于单机形式，基于互联网可实现C/S、B/S架构形式的电子海图系统。(2)客户端或者浏览器显示电子海图，不需要实时绘制电子海图，只需要访问服务器的海图瓦片进行拼接显示即可。具有响应快、出图快的优点。

本发明提出的基于OpenGL技术拼接渲染电子海图的方法，采用与视窗尺寸相同的位图作为大纹理实现客户端或者浏览器端电子海图的更新。相对于逐个电子海图瓦片更新显示的方案具有如下优点：(1)节省资源：创建纹理对象少，并避免了冗余的数据的绘制。(2)效率高：使用内存拷贝的方式减少了向显卡传输的数据量，提高了电子海图显示的效率。

附图说明

图1为三大坐标系转换关系图。

图2为瓦片式电子海图系统模型。

图3为基于瓦片技术的电子海图显示方法流程图。

图4为金字塔层次模型。

图5为瓦片编码示意图。

图6为电子海图显示视窗示意图。

图7为视窗范围内电子海图瓦片分布示意图。

具体实施方案

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：

参照说明书附图2，基于瓦片技术的电子海图系统工作原理如下：服务器按照金字塔层次模型将不同比例尺的电子海图分割为海图瓦片，并将海图瓦片编码存储。然后客户端根据给定的视窗中心点的地理坐标、显示比例尺以及窗口的尺寸大小确定客户端视窗显示的地理坐标范围。然后计算分布在视窗范围内的瓦片的编号范围。最后客户端根据瓦片的编号向服务器请求海图瓦片数据，并将得到地图瓦片拼接渲染在屏幕上。如说明书附图3所示，基于瓦片技术的电子海图显示方法的流程图，具体包含以下步骤：

步骤一、服务器按照金字塔层次模型分割电子海图。该步骤包含两个子步骤：

步骤一(一)、不同的显示级别下的电子海图比例尺的计算。金字塔模型如说明书附图4所示，金字塔每一层所有的瓦片构成的平面为地理坐标系的平面投影。客户端通过访问不同层级的海图瓦片实现电子海图比例尺的切换，所以金字塔模型的层级N也是客户端电子海图的显示级别。随着金子塔的层级增加，每一层的地图瓦片总数呈指数增加：在金子塔第0层只有一张海图瓦片，在第1层有4张海图瓦片，海图瓦片的大小为256×256像素，依次类推，在金字塔第N层有4^N个海图瓦片。金字塔第N层电子海图瓦片的比例尺Scale为：

其中，N为金子塔模型的层数，也是电子海图的显示级别，L为地球赤道的周长，DPI表示屏幕每英寸包含像素的个数，1英寸为0.0256米。

步骤一(二)、利用地图切片工具将不同显示级别的电子海图按照金字塔层次模型分割为长为256像素、宽为256像素的电子海图单元。

步骤二、服务器根据海图瓦片在金字塔层次模型中的位置坐标对海图瓦片进行编码。如说明书附图5所示，每一层第一个瓦片的位置记为(0,0)，右下角位置的瓦片位置记为(2^N-1,2^N-1)。所以每个地图瓦片可以编码Key为：

Key＝N_r_c

其中，N是该海图瓦片在金字塔模型的层级，也是电子海图的显示级别。r为该海图瓦片所在金字塔模型的行编号，c为海图瓦片所在金字塔模型的列编号，即(r,c)为瓦片坐标。服务器在根据电子海图的Key值并按照一定的规则映射为服务器的路径，并按照该规则将海图瓦片存储在服务器中。

步骤三、客户端根据用户输入的参数计算视窗显示的地理坐标范围；客户端视窗示意图如说明书附图6，视窗中心点的地理坐标(CenterLog,CenterLat)，显示窗口的长宽a、b，以及电子海图的显示级别N都为用户输入或手动选择的已知参数。客户端视窗显示的地理坐标范围具体计算过程如下：

步骤三(一)、计算客户端屏幕像素密度PixDensity，该参数表征着屏幕的单位像素所占有的物理尺寸(单位为米)。计算公式如下：

其中，DPI表示每英寸包含的像素个数，1英寸等于0.0254米。PixDensity表征了屏幕单位英尺包含的像素个数。

步骤三(二)、计算客户端视窗显示比例尺ViewScale，计算公式如下：

其中Scale为海图瓦片比例尺。

步骤三(三)、计算客户端视窗中心的世界坐标(CenterX,CenterY)，计算公式如下：

CenterX＝R²×CenterLog

其中，R为地球半径，为6371393米。(CenterLon,CenterLat)为视窗中心地理坐标，该参数是用户手动选择或者输入。

步骤三(四)、计算客户端视窗左上边界点世界坐标(Left,Top)和右下边界点世界坐标(Right,Bottom)，计算公式如下：

其中，a为视窗的宽度，b为视窗的高度。所以客户端视窗显示的坐标范围P为：

P＝{(X,Y)|Left≤X≤Right,Bottom≤Y≤Top}

其中，X为世界坐标系的横坐标，Y为世界坐标系的纵坐标。

步骤四、计算分布在客户端视窗范围内海图瓦片的瓦片坐标范围。具体计算过程如下：

步骤四(一)、利用墨卡托逆变换将步骤三得到左上方边界点的世界坐标(Left,Top)和右上方边界点(Right,Bottom)转化为地理坐标(LogS,LatS)和(LogE,LatE)。世界坐标(X,Y)与地理坐标(Log,Lat)转换公式如下：

其中，R为地球半径，为6371393米。

步骤四(二)、由墨卡托投影是等角正圆柱投影以及金子塔模型可知地图瓦片规则的排列分布可知，因此可以根据地理坐标在经纬坐标系的比例关系确定地图瓦片的位置。地理坐标(Log,Lat)与瓦片编号(XTile,YTile)转换公式如下：

其中，N为地图显示级别，θ计算如下：

通过转换公式，将视窗边界点(LogS,LatS)和(LogE,LatE)对应的地理坐标转化为瓦片的编号(XTileS,YTileS)和(TileE,YTileE)。显然(XTileS,YTileS)和(XTileE,YTileE)是分布在视窗范围内瓦片编号(r,c)的边界值，即视窗显示的海图瓦片的坐标范围Q为：

Q＝{(r,c)|XTileS≤r≤XTileE,YTileS≤c≤YTileE}

其中，r为海图瓦片的行编号，c为海图瓦片的列编号。

步骤五、客户端以海图瓦片的显示级别N，行编号r，和列编号c作为请求参数通过Http协议向服务器请求海图瓦片数据。其中被请求的瓦片坐标满足条件(r,c)∈Q。

步骤六、并将请求到的海图瓦片放入集合List中，如果步骤五请求失败，则使用空白瓦片替代。

步骤七、采用与客户端视窗相同大小的Bitmap作为大纹理，将海图瓦片拼接在Bitmap上。具体过程如下：

步骤七(一)、创建与显示窗口相同大小的位图Bitmap。

步骤七(二)、视窗范围内电子海图瓦片分布示意图如说明书附图7所示，遍历集合List，计算瓦片与客户端视窗范围P交集区域，并将瓦片上的交集区域拷贝到位图Bitmap上。

步骤八、利用OpenGL纹理映射技术完成电子海图的渲染显示。具体过程如下：

步骤八(一)、执行函数glViewPort(0,0,a,b)初始化视口，其中a为视窗的宽度，b为视窗的高度。

步骤八(二)、初始化OpenGL状态，执行函数glOrtho(left,right,bottom,top,-1,1)创建正交的视景体，其中left为视窗范围R的左边界的世界坐标，right为视窗范围R的右边界的世界坐标，bottom为视窗范围R的下边界的世界坐标，top为视窗范围R的上边界的世界坐标。然后执行函数glMatrixMode(GL_MODEVIEW)设置投影模式。然后清除颜色缓冲区。

步骤八(三)、将位图Bitmap作为纹理加载到内存，执行函数glGenTextures生成纹理编号。

步骤八(四)、执行函数glBindTexture绑定纹理。

步骤八(五)、执行函数glTexSubImage2D更新纹理，完成电子海图在客户端屏幕的渲染显示。

Claims (3)

1.基于瓦片技术的电子海图显示方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、服务器按照金字塔层次模型分割电子海图，该步骤包含两个子步骤：

步骤一(一)、不同显示级别的电子海图比例尺的计算，电子海图的比例尺Scale为：

<mrow> <mi>S</mi> <mi>c</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>D</mi> <mi>P</mi> <mi>I</mi> </mrow> <mrow> <mn>0.0254</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mn>256</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>4</mn> <mi>N</mi> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，N为金子塔模型的层数，也是电子海图的显示级别，L为地球赤道的周长，DPI表示屏幕每英寸包含像素的个数，1英寸为0.0256米；

步骤一(二)、利用地图切片工具将不同显示级别的电子海图按照金字塔层次模型分割为长为256像素、宽为256像素的电子海图单元；

步骤二、服务器根据海图瓦片在金字塔层次模型中的位置坐标对海图瓦片进行编码。然后服务器根据海图瓦片编码信息组织存储瓦片；

步骤三、客户端根据已知参数计算客户端视窗显示的地理坐标范围P；

步骤四、根据步骤三得到的地理坐标范围P计算客户端视窗范围内海图瓦片的瓦片坐标范围Q；

步骤五、客户端以海图瓦片的显示级别N，行编号r，和列编号c作为请求参数通过Http协议向服务器请求海图瓦片数据，其中瓦片坐标满足条件(r,c)∈Q；

步骤六、并将请求到的海图瓦片放入集合List中，如果步骤五请求失败，则使用空白瓦片替代；

步骤七、采用与客户端视窗相同尺寸的Bitmap作为大纹理，将电子海图瓦片拼接在Bitmap上；

步骤八、利用OpenGL纹理映射技术完成电子海图的渲染显示。

2.根据权利要求1所述的基于瓦片技术的电子海图显示的方法，其特征在于，所述步骤七包括以下步骤：

步骤七(一)、创建与显示窗口相同大小的位图Bitmap作为纹理映射的大纹理；

步骤七(二)、遍历集合List，计算瓦片与客户端视窗范围P交集区域，并将瓦片上的交集区域拷贝到位图Bitmap上。

3.根据权利要求1或2所述的基于瓦片技术的电子海图显示的方法，其特征在于，所述步骤八包括以下步骤：

步骤八(一)、执行函数glViewPort(0,0,a,b)初始化视口，其中a为视窗的宽度，b为视窗的高度；

步骤八(二)、初始化OpenGL状态，执行函数glortho(left,right,bottom,top,-1,1)创建正交的视景体，其中left为视窗范围R的左边界的世界坐标，right为视窗范围R的右边界的世界坐标，bottom为视窗范围R的下边界的世界坐标，top为视窗范围R的上边界的世界坐标。然后执行函数glMatrixMode(GL_MODEVIEW)设置投影模式，并清除颜色缓冲区；

步骤八(三)、将位图Bitmap作为纹理加载到内存，执行函数glGenTextures生成纹理编号；

步骤八(四)、执行函数glBindTexture绑定纹理；

步骤八(五)、执行函数glTexSubImage2D更新纹理，完成电子海图在客户端屏幕的渲染显示。