（计算机科学与技术专业论文）智能交通系统中的瓦片地图技术研究与应用.pdf

摘要 摘要 智能交通系统能够将人、车、路有机地结合起来，使三者达到最佳的和谐 统一。深圳市城市智能交通系统可以在网页上发布动态的道路交通运行状况地 图，为管理者和出行者提供实时的道路交通流量信息，帮助道路使用者合理地 选择行车路线，避开交通拥挤路段，减少交通事故，从而极大地增强了路网系 统的有效使用潜力和通行能力。 随着应用的深入，深圳市城市智能交通系统在一期开发阶段不支持高并发访 问量的性能问题凸现了出来。本文在对瓦片地图技术的应用背景、理论依据和 实现方法充分研究的基础上，把瓦片地图技术应用于深圳市城市智能交通系统， 使该系统能够支持海量并发访问的应用需求。 首先本文在总体上介绍了瓦片地图技术研究的背景，提出了瓦片地图技术的 一种实现方案，对其两大技术组成要素进行了简要地介绍。在服务器端的瓦片 金字塔地图库预生成技术的研究中，本文介绍了其理论模型；并且本文利用线 性四叉树数据结构实现了在常数时间复杂度内对地图瓦片的快速索引；本文通 过对地图瓦片拓扑关系的研究，阐明了地图瓦片的空间位置关系。在前面三部 分研究的基础上，本文提出了服务器端的瓦片金字塔地图库预生成技术的一种 实现方案。在客户端的a j a x 技术的研究中，本文介绍了a j a x 技术的基本概念、 组成元素和工作原理，并在此基础上对a j a x 技术在瓦片地图应用系统中的使用 场景进行了介绍。接着，本文对深圳市城市交通仿真系统两大平台设计与实现 的研究成果做了介绍，详细阐述了w e b g i s 应用系统的结构设计和平台实现。 在前面研究的基础上，本文重点阐述了瓦片地图技术在深圳市城市智能交通 系统中的具体实现方法。本文提出了瓦片地图技术的一个实现模型，通过介绍 地图操作的用例需求和面向对象的j a v a s c r i p t ，本文详细阐述了基于瓦片地图 技术的地图操作的实现方法。 进一步，本文根据深圳市城市智能交通系统的应用需求，对瓦片地图技术进 行了改进和创新，提出了基于动态地理数据的瓦片地图技术，通过使用该技术， 可以向广大公众用户发布动态的道路交通运行状况地图。并且，本文利用多种 先进的软件设计思想，实现了对服务器端操作和客户端操作的最小化，使深圳 摘要 市城市智能交通系统更加能够满足高并发访问量的应用需求。 本文的研究，对于城市智能交通系统的性能优化、高并发访问量的支持和改 善用户体验具有重要的实际意义与参考价值。基于动态地理数据瓦片地图技术 实现模型的构建，丰富了现有瓦片地图技术的研究成果，使城市智能交通系统 在支持高并发访问量的前提下能够发布基于动态地理数据的瓦片地图，增加了 城市智能交通系统的应用价值。 关键词：瓦片地图技术，瓦片金字塔模型，a j a x ，基于动态地理数据的瓦片地 图技术，w e b g i s a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mc o m b i n e sp e r s o n ，v e h i c l ea n d r o a dt o g e t h e rt o a c h i e v et h em o s te f f i c i e n tr e s u l t s h e n z h e nu r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m r e l e a s e st h ed y n a m i cm a po fr o a dt r a f f i cs t a t u so nw e b s i t e ，p r o v i d e si n s t a n tr o a d t r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o nt os u p e r v i s o ra n dt r a v e l e r , h e l p sp e o p l et oc h o o s er e a s o n a b l e “h l t et oa v o i dt r a f f i cj a ma n da c c i d e n t t h i si n t e l l i g e n ts y s t e mg r e a t l ye n h a n c e st h e p o t e n t i a la n dc a p a b i l i t yo f r o a ds y s t e m w h e nt h es y s t e mi sf u r t h e ra p p l i e d ，t h ef u n c t i o np r o b l e me m e r g e st h a ts h e n z h e n u r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e md o e sn o ts u p p o r tm a s s i v es i m u l t a n e o u s v i s i t i n gr e q u e s t b a s e do nt h er e s e a r c ho f t i l em a pt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n ，t h e o r e t i c a l e v i d e n c ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，t h i sp a p e ra p p l i e st i l em a pt e c h n o l o g yt o s h e n z h e nu r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t o s u p p o r t t h e a p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n to f m a s s i v es i m u l t a n e o u sv i s i t i n gr e q u e s t f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h et e c h n i c a lr e s e a r c hb a c k g r o u n do f t i l em a pt e c h n o l o g y , p r o p o s e so n ei m p l e m e n t a t i o no ft i l em a pt e c h n o l o g ya n dt h e n i n t i o d u c e st w om a i nt e c h n i c a lc o m p o n e n t s t h ep a p e re x p l a i n st h et h e o r e t i c a lm o d e l i nt h er e s e a r c ho np r e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft i l e p y r a m i dm a p w a r e h o u s eo nt h e s e r v e rs i d e i tu s e sl i n e a rq u a d t r e ed a t as t r u c t u r et oa c h i e v eq u i c ki n d e xa b i l i t yo fm a p t i l ew i t h i nc o n s t a n tt i m ec o m p l e x i t y t h es p a c ep o s i t i o n r e l a t i o no fm a pt i l e si s c l a r i f i e db a s i n go nt h er e s e a r c ho fm a pt i l et o p o l o g i c a lr e l a t i o n o nt h eb a s i so f t h e s e t h r e ep a r t s ，t h i sp a p e rs u g g e s t sa ni m p l e m e n t a t i o no fp r e 。p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo f t i l e p y r a m i dm a pw a r e h o u s e o nt h es e r v e rs i d e i nt h er e s e a r c ho na ja xt e c h n o l o g yo n t h ec l i e n ts i d e ，t h ep 印e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n c 印t ，c o m p o n e n t sa n dw o r k i n gt u n c t i o n o f a j a xt e c h n o l o g y , a n de x p l a i n st h ea p p l i c a t i o ns c e n eo f a j a xt e c h n o l o g y i nt i l em a p a p p l i c a t i o ns y s t e m t h e n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h et w op l a t f o r m so fs h e n z h e nt r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m ， a n dc l a r i f i e st h es t r u c t u r ed e s i g na n dp l a t f o r mi m p l e m e n t a t i o no fw e b g i ss y s t e m o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e r i i i 锄p h a s i z e st h ed e t a i li m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t m e t h o do ft i l em a pt e c h n o l o g yi ns h e n z h e nu r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a ni m p l e m e n t a t i o nm o d e lf o rt i l em a pt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d w h i l et h eo p e r a t i o no f u s ec a s ea n do b j e c t o r i e n t e dj a v a s c r i p ta l ee x p l a i n e d ，t h em a po p e r a t i o na n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o di ss p e c i f i e db a s i n go nt i l em a pt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to fs h e n z h e nu r b a n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h et i l em a pt e c h n o l o g y , a n d p r o p o s e san e w t i l em a pt e c h n o l o g yb a s eo nt h ed y n a m i cg e o g r a p h i c a ld a t a t h e d y n a m i cm a po fr o a dt r a f f i cs t a t u sc a nb er e l e a s e df o rt h ep u b l i cu s e r s m e a n w h i l e ， t h ep a p e ru s e sm u l t i p l ea d v a n c e ds o f t w a r ed e s i g ni d e a st om i n i m i z et h eo p e r a t i o no n t h es e r v e rs i d ea n dc l i e n ts i d e a sar e s u l t ，s h e n z h e nu r b a ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e mi sa b l et os u p p o r tm a s s i v es i m u l t a n e o u sv i s i t i n gr e q u e s t t h ea b o v es t u d yh a sa ni m p o r t a n tf a c tm e a n i n ga n dar e f e r e n c ev a l u et ot h e o p t i m i z a t i o no fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t h es u p p o r to fm a s s i v es i m u l t a n e o u s v i s i t i n gr e q u e s ta n di m p r o v e m e n to fu s e re x p e r i e n c e t h em o d e li m p l e m e n t a t i o no f t i l em a pt e c h n o l o g yb a s e do nt h ed y n a m i cg e o g r a p h i c a ld a t ae n r i c h e st h er e s e a r c h r e s u l t so ft i l em a pt e c h n o l o g y , a n dm a k e si tp o s s i b l et or e l e a s et i l em a pb a s e do nt h e d y n a m i cg e o g r a p h i c a ld a t ao nt h ep r e m i s et h a ti n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mc a n s u p p o r tm a s s i v es i m u l t a n e o u sv i s i t i n gr e q u e s t t h ed e s i g ni n c r e a s e st h ea p p l i c a t i o n v a l u eo fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：t i l em a pt e c h n o l o g y , t i l e p y r a m i dm o d e l ，a j a x ，t i l em 印t e c h n o l o g y b a s e do nd y n a m i cg e o g r a p h i cd a t a ，w e b g i s i v 同济大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保程、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子舨；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：周沛 20 0 3 ml 窍锈b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月b年月 翻 同济大学硕士学位论文 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 2 勰零纛日2 口踞年月z 弓日 第一章引言 第一章引言 “瓦片地图技术( t i l em a pt e c h n o l o g y ) ”是w e b g i s 中的一种新兴的技术， 该技术的出现极大地改善了用户体验，在w e b g i s 以及在智能交通系统领域具有 极大的应用价值。 1 1应用背景 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 是指将先进的计算机 处理技术、地理信息技术、数据通讯传输技术等多种高科技技术有效地运用于 整个交通管理体系，使人、车、路有机地结合起来，以达到最佳的和谐统一， 从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综 合管理系统。当今世界上的智能交通系统一般是以城市为单位而建立起来的应 用系统。智能交通系统的基本任务是最大限度地实现信息的采集、处理、加工 和共享，并根据所获得的实时信息不断地优化交通系统的控制策略和调整各类 交通参与者的行为，实现交通系统的优化运行。作为核心资源，地理空间信息 和地物属性信息在智能交通系统中扮演着至关重要的角色，这些数据的合理组 织和处理是一个关键问题。地理信息系统则能够有效地存储和管理地理空间信 息和地物属性信息，它一直是城市智能交通系统中不可分割的一部分，在城市 智能交通系统发挥着举足轻重的作用。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一个以计算机为基 础的管理和研究空间数据的计算机信息系统。它把地理位置和其相关属性有机 地结合起来，根据用户的需要将空间信息及其属性信息真实准确、图文并茂地 输出给用户，满足城市建设、居民生活和企业管理对空间信息的需求，借助其 独有的可视化表达功能和空间分析功能，为各种决策提供强有力的参考依据。 经历几十年的发展进步，g i s 技术业已成为描述和处理地理空间实体及其相 互关系的完整技术系统，并逐步建立了其独立的理论体系。g i s 的应用领域已经 从以前的土地规划、自然资源管理领域扩展到现在的交通、军事、商业等众多 领域，并取得了十分显著的经济效益和社会效益。在短短几十年里，随着计算 机科学技术、信息科学技术和地理空间技术的飞速发展，特别是近年来互联网 第一章引言 的迅速普及和各种新兴网络技术的出现，给传统g i s 带来了巨大的挑战。传统 g i s 模式下地理信息数据不易合成利用、基于胖客户端的实现以及地理数据无法 共享等诸多弊病已经严重阻碍了g i s 的广泛应用。随着互联网的日益普及和广 大用户对空间信息的不断需求，利用互联网在w e b 上发布和处理地理信息，为 用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，已经成为g i s 发展的必然趋势， 于是，基于互联网技术的地理信息系统w e b g i s 就应运而生。w e b g i s 是g i s 系 统应用于i n t e r n e t 上的高技术系统。g i s 通过i n t e r n e t 使其功能和用途得到了极 大地扩展，空间地理信息能够被广大用户所共享，令g i s 真正成为一种被大众 使用的实用工具。从世界互联网上的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以查看自己 所关心的w e b g i s 站点中的空间信息，进行各种类型的地理信息检索和地理信息 分析，从而使得g i s 进入了千家万户。 与传统的、基于胖客户端的g i s 相比，w 曲g i s 具有以下几个显著优点t 客户端的平台独立性。无论客户端是何种设备( 个人电脑、手机或p d a ) ， 无论w e b g i s 服务器端使用何种g i s 软件，因为只需要使用通用的w e b 浏 览器就可以访问w e b g i s 平台服务，所以用户可以透明地访问地理信息，有 利于地理信息的大范围发布。 可以大规模降低g i s 用户的使用成本。传统的g i s 应用系统在每个客户端都 要配备昂贵的专业g i s 软件，这使广大普通g i s 用户望而却步。而w e b g i s 在客户端只需使用普通的w e b 浏览器，g i s 用户节约的软件成本与使用专业 g i s 客户端软件相比非常可观。 更通用的操作。要广泛推广w e b g i s ，使w e b g i s 应用系统为广大用户所接 受，而不是仅仅局限于少数受过培训的专业用户，就要使用更通用的地图操 作，使w 曲g i s 容易上手使用。 更广泛的地理服务器的访问范围。由于可以在某个服务器上进行分布式组件 的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现远程异构数据的共享，客户 可以同时访问多个位于不同服务器上的空问数据，而这一i m e m e t 所特有的 优势大大方便了g i s 数据的管理和合成利用，使分布式的多数据源的数据管 理和合成利用更易于实现。 平衡高效的计算负载。传统的g i s 平台大多使用c s 结构的胖客户端的处理 方式，其处理能力完全依赖于客户端，对客户端的硬件配置要求较高，地理 数据的处理效率较低。而当今的w e b g i s 能充分利用网络资源，将基础性、 2 第一章引言 全局性的处理交由服务器执行，而对数据量较小的简单操作则由客户端直接 完成，这种计算模式能灵活高效地使计算负荷和网络流量负载在客户端和服 务器端进行合理分配，是一种较理想的优化模式。 正因为w e b g i s 相比传统g i s 系统有如此多的优点，w e b g i s 才被越来越多的用 户所接受。本文研究所基于的深圳市城市智能交通系统，就是基于w e b g i s 的智 能交通系统。 从2 0 0 5 年到2 0 0 7 年的短短三年间，w e b g i s 已经成为英特网用户访问最频 繁的一类站点，与人民的生活息息相关，成为了w e b2 0 应用的典范。尽管英特 网用户对w e b g i s 应用系统的依赖程度越来越高，但是随着w 曲g i s 的深入应用 和大量普及，传统的w e b g i s 站点已经面临着以下两个严峻的挑战。 ( 1 ) 高并发访问量。传统w 曲g i s 应用系统处理高并发访问量的能力十分 有限。一方面，传统w e b g i s 是以服务于局域网或专网内的专业用户为主，或者 是虽面向i n t e m e t 但只服务于少数经认证的用户。另一方面，一开始w e b g i s 应 用还不为公众所知，公众对w e b g i s 应用的认知和接受程度也十分有限，所以开 始时传统的w e b g i s 站点所能支持的并发访问量还是十分有限的，它对于客户请 求一般采用的是让地图服务器为其专门渲染出一张图片然后回传给客户的方 式，每次客户请求都需要向地图服务器重新请求渲染出地图图片。使用这种请 求处理方式，服务器资源消耗很大，导致服务器有着性能瓶颈，但对于少量的 客户请求，这种请求处理方式已经足够了。然而，随着w e b g i s 应用的广泛深入， 尤其是随着g o o g l em a p s 的推出以及国内各种地图服务平台的同益普及，越来越 多的英特网用户逐渐加入到w e b g i s 的用户队伍中来。大量用户访问对w e b g i s 在高并发访问量情况下的响应性能提出了巨大的挑战。传统w e b g i s 平台在应对 高并发访问量时通常显得力不从心，随着用户数目的增加，用户每提交一次请 求等待的时问更长，有时甚至出现等待超时，极大地降低了用户体验。显然， 针对每次请求为其专门渲染出一张地图图片的方法在高并发访问量的情况下已 经显得不再适用。 ( 2 ) 海量影像数据的发布。传统w e b g i s 应用系统通常以发布矢量地图为 主，往往不支持海量影像数据的发布。而如今，通过高分辨率航天传感器获取 地面信息已经成为g i s 应用的重要数据来源，并已经在g i s 中得到了广泛应用。 这些庞大的影像数据对地图的发布提出了严峻的挑战，有时甚至成为w e b g i s 网站的瓶颈，制约了网站的速度和性能。 3 第一章引言 近年来，国内外许多学者对w e b g i s 的性能优化技术进行了深入地研究，取 得了许多重要的研究成果。但是，大多数地形简化方案都假定直接从内存或虚 拟内存中访问整个空问数据，而没有考虑预先将地图图片放在应用服务器和地 理服务器上，当用户请求地图图片时从应用服务器或数据库服务器上动态载入 空问数据的优化方法。对于大规模的地形场景，将整个空i 、ij j 数据作为一个整体 进行实时简化对。 二现实的应用是非常困难的。因为对整个空问数据进行高效的 数据简化，需要绘制的地形场景容量远远超出目前图形显示硬件所能支持的容 量。另外，考虑到可视范围的因素，只需将用户可视范围内的地理数据进行优 化和绘制即可。 针对这种状况，g o o g l e 公司首先推出了g o o g l em a p s 地图服务平台 ( h t t p ：d i t u g o o g l e c n ) ，如下图1 1 所示。该平台与以往任何w e b g i s 平台都不 同，它丌创性地把几种新兴的网络技术运用到了w e b g i s 地图1 i j i 务中，对传统的 w e b g i s 地图服务进行了性能优化，大大缩短了地图服务的响j 避时l i j ，使客户得 到了很好的用户体验。 g o 疆 el 纛纛三纛_ 纛l ：_ 一 吼。_ l j 雕案绷 黧囊謦矗璺要；舞貔 嚣 蟛+ 艘i 辨 f h 毒案r ， 0 豢黧黧2 舞 图1 1 g o o g l e 公，1 j 的g o o g l em a p s 地幽服务甲台 在使用g o o g l em a p s 我们会发现，最引人注f 1 的足它那流畅的地图操作和快 速的响应能力，用户似乎不需要等待系统响、砭，地图也似乎小是一整张图片， 而是一块块小图片拼接起来的。g o o g l e 所用的就是“瓦”地图技术( t i l em a p t e c h n o l o g y ) ”。这利一技术以后纷纷被各大w e b g i s 站点所采用，比如m i c r o s o f t 4 第一章引言 l i v em a p 、e 都市和5 1 地图，成为构建w e b g i s 地图服务平台的种新的地图 服务模式。下图1 2 是访问e 都市获取地图瓦片的瞬间。 1 2 问题的提出 本文的研究 _ n 勺足基于深j ) l lr t i 城市智能交通系统的应用需求。该系统足基 十深圳巾城i i 交通仿真系统( s h e n z h e nu r b a nt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m ， s u t s s ) 研究和开发的，它是深圳1 i 智能交通系统的鼋要组成部分和允；动工年罕。 深圳r j 城r 仃智能交通系统通过在w e b 浏览器卜绘制实时交通道路拥挤地图并提 供各种标准的地罔操作，为车辆驾驶员和出行者提供实h , j 的交通信息，方便了 用户的行，l j j l 以最大限度地合理利川当今城市交通网络，减缓和避免城市交 通压力。i j 时专业的地图操作功能为专, l k 用j 、t 使j l j 系统生成齐种报表和数据提 供了一个简单直观的途径。为此，陔城市智能交通系统必须能够支持高爿：发访 问量，以满足j 。大公众川户和专业用户的城市交通道路信，皂、的奄洵需求。 该系统在一期歼发阶段，采j r 的足传统的为每个客户请求实时渲染地图 图片的力。法。但是，a r c i m s 地图服务器渲染出一j 长地图的时n j j 相对比较k ，会 大量地消耗地图服务器的资源，它小能满足高并发访问量的需求。当并发访i u j 量增多时，陔系统的响应性能会直线 、降，响应时间就会变得相当漫氏，宵h , i 甚仝达至0 了19 - 0 1 , 1 _ j 9 1 i , j 佃j ，极大地降低了陔系统的可用性。i 冈此，如何对该系 5 第一章引言 统进行性能优化，以缩短地图服务的响应时间、改善用户体验，就成为本文研 究的重点。 1 3 研究的内容和意义 本文对当前先进的瓦片地图技术进行研究，利用瓦片地图技术对深圳市城 市智能交通系统进行性能优化。然而，要达到此目的，需要解决以下四大技术 难题。 ( 1 ) 如何借助g i s 工具快速构建适合于该系统的瓦片金字塔地图库。对应 每个缩放级别，都要相应地建立一个瓦片矩阵，相邻缩放级别之间的地图瓦片 如何对应；对应某个缩放级别，将整张地图图片如何切割；地图的像素坐标和 地图瓦片如何对应；可视范围内所需的地图瓦片如何计算，这些都是需要研究 和考虑的问题。 ( 2 ) 在求出了可视范围内所需的地图瓦片时，地图服务器如何能够快速精 准地定位到某张地图瓦片。对于每个缩放级别显然都要有对应的地图瓦片集合， 因此生成的这些地图瓦片的数目是海量的，面对客户的高并发访问量，如何能 够快速地为每个请求索引到某块地图瓦片是影响w e b g i s 应用系统性能的一个 关键因素。 ( 3 ) 如何在客户端表现瓦片地图。 视范围内实现地图平移、缩放等操作。 深圳市城市智能交通系统要求地图在可 因此，需要在客户端把切割好的地图瓦 片无缝地拼接在一起，对地图进行平移操作时，拼接在一起的瓦片地图要像整 张地图一样顺畅自如地移动，并且要能够实现针对不同缩放级别的地图瓦片的 动态集成。 ( 4 ) 如何把瓦片地图技术运用于动态的地理数据。深圳市城市智能交通系 统的地理数据是随时间动态变化的，而目前大部分运用瓦片地图技术的w e b g i s 地图服务站点的地理数据是静态的，不会随着时间的变动每时每刻地在变化。 如何把瓦片地图技术应用于随时间动态变化的地理数据，提出一套基于动态地 理数据的瓦片地图技术的解决方案，是一项非常值得研究的内容。 在城市的发展和演变过程中，交通工具的增长速度远远高于城市道路和其 它交通设施的增长速度，城市交通面临着巨大的压力与挑战。由于汽车拥有量、 机动化出行量的持续迅猛增加，交通系统运行状况同益严峻。为此，需要在不 6 第一章引言 破坏居住环境和城市生态环境的前提下，尽可能地推进交通基础设施的建设， 以适应不断增长的交通需求。需要通过先进的交通技术、信息和通讯技术引导 和调控交通需求，通过均衡公共交通系统的运输压力有效地提高现有交通设施 的利用效率，及时解决城市发展过程中不断出现的交通问题，落实交通发展战 略。因此建立一个基于信息的、集成的、智能的交通系统是改善城市交通运行 状况的重要保障。一方面，通过引导、管理和控制等方式充分发挥整个城市交 通基础设施的运输潜力；另一方面，通过交通信息的采集与分析为政府部门的 交通决策提供有力的参考依据。深圳市城市智能交通系统正是在此需求下建立 起来的基于w e b g i s 的应用系统，它必须能够满足来自公众用户和专业用户的高 并发访问量的要求。因此，如何把瓦片地图技术应用于该系统，并对瓦片地图 技术加以改进，使其能够支持动态地图的发布，具有十分巨大的研究意义和应 用价值。 1 4 瓦片地图技术概述 海量地理数据的高并发访问量和实时可视化是深圳市城市智能交通系统的 重要研究内容之一。由于地理数据的海量特征、当前地图服务器硬件条件的限 制和高并发访问量的应用需求，该系统不可能对每次客户请求为其专门渲染出 一张地图并传回，瓦片地图技术是加快地图显示的有效途径，它极大地改善了 用户体验。 本文研究的瓦片地图技术主要包含两大组成技术，一种是服务器端的瓦片 金字塔地图库预生成技术，另一种是客户端的a j a x 技术。运用瓦片地图技术不 需要为每次客户请求实时地渲染地图图片，而是首先运用瓦片金字塔地图库预 生成技术在地图服务器上生成瓦片金字塔地图库，并把它存储在机器的高速硬 盘目录下，然后在客户端运用a j a x 技术将用户可视范围内所需要的地图瓦片传 回，并进行无缝拼接，使其像整张地图图片的效果一样。这样，在高并发访问 量的情况下，不需要重复请求地图服务器渲染出相同地理位置的地图图片；客 户端在平移地图等操作的情况下，也只需要下载可视范围内所缺少的地图瓦片 和地理属性数据，不需要重复下载浏览器上已有的地图数据。通过瓦片地图技 术的支持，极大地改进了客户端和服务器端的交互效率，减轻了服务器负载和 网络传输负担。 7 第一章引言 1 5 本文的内容和组织 本文在作者实际参与的深圳市城市智能交通系统无法很好地支持高并发访 问量的情况下，针对瓦片地图技术进行了研究，结合了作者实际参与的该应用 系统的概要设计、详细设计以及开发经验，介绍了瓦片地图技术的原理及其在 深圳市城市智能交通系统中的应用。通过笔者对瓦片地图技术的研究，详细阐 述了瓦片地图技术的理论模型，以及它在服务器端和客户端是如何协调运作的。 笔者运用瓦片地图技术很好地实现了深圳市城市智能交通系统中的用例，实践 证明，瓦片地图技术能够很好地解决该系统中的性能瓶颈问题，使其能够很好 地支持高并发访问量的应用需求。 本论文共分七章，总体结构如下： 第一章介绍了瓦片地图技术的应用背景，结合笔者实际参与的深圳市城市 智能交通系统提出在第一期开发过程中所遇到的性能问题，并分析了运用瓦片 地图技术解决该性能问题的研究内容和意义，在此基础上简要地介绍了瓦片地 图技术的两大技术组成部分。 第二章介绍了瓦片地图技术的基本组成技术之一：服务器端的瓦片金字塔 地图库预生成技术。详细阐述了瓦片金字塔地图库的基本模型、线性四叉树瓦 片索引、地图瓦片的拓扑关系以及瓦片金字塔地图库预生成技术的实现方法。 第三章介绍了瓦片地图技术的基本组成技术之二：客户端的a j a x 技术。详 细阐述了a j a x 技术的基本概念、关键组成元素、a j a x 的工作原理、a j a x 的核心 对象，最后分析了a j a x 技术在瓦片地图技术中的应用场景。 第四章介绍了深圳市城市交通仿真系统。在本章中，本文首先阐述了深圳 市城市交通仿真系统的开发背景。其次，本文介绍了该系统的两大功能平台： 城市交通信息服务平台和智能交通公用平台，以及它们的基本功能、用例模型、 技术架构以及相关核心技术的原理和应用。再次，介绍了系统中地图操作部分 的结构设计，并且结合当今主流的g i s 应用软件介绍了w e b g i s 平台的实现和 搭建过程。 第五章重点介绍瓦片地图技术在深圳市城市智能交通系统中的应用。在本 章中首先介绍了系统地图操作部分的用例需求说明，并且提出了瓦片地图技术 的实现模型。接着，本文介绍了实现地图操作的技术基础：面向对象的j a v a s c r i p t 。 最后本文针对每个具体用例阐述了瓦片地图技术在深圳市城市智能交通系统中 8 第一章引言 的具体实现。 第六章是本文的一大创新点，本章结合深圳市城市智能交通系统的应用特 点提出了基于动态地理数据的瓦片地图技术，提出了基于动态地理数据的瓦片 地图技术的实现模型，并对服务器端和客户端的操作做了一系列简化，去除了 不必要的操作，实现了最小化服务器端和客户端操作的目的。 最后本文对整篇文章作了总结和展望，总结了本文的特色和主要研究成果， 并对瓦片地图技术的应用前景做出了展望。 9 第二章瓦片金字塔地图库的预生成技术 第二章瓦片金字塔地图库的预生成技术 为了能够加快地图服务站点的响应速度，避免地图服务器为每次客户请求 实时渲染地图图片，可以在地图服务器端利用缓存思想来进行性能优化，瓦片 金字塔地图库的预生成技术正是利用了这一思想的性能优化技术。 2 1 瓦片金字塔模型 瓦片金字塔模型是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层， 分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。瓦片金字塔模型的构建算法如下： ( 1 ) 首先确定w e b g i s 地图服务平台所要提供的缩放级别的数量n ，把缩 放级别最低、地图比例尺最大的地图图片作为金字塔的底层，即第0 层，并对 其进行分块，从地图图片的左上角开始，从左至右、从上到下进行切割，分割 成相同大小( 比如2 5 6 x 2 5 6 像素) 的正方形地图瓦片，形成第0 层瓦片矩阵； ( 2 ) 在第0 层地图图片的基础上，按每2 2 像素合成为一个像素的方法 生成第1 层地图图片，并对其进行分块，分割成与下一层相同大小的正方形地 图瓦片，形成第1 层瓦片矩阵； ( 3 ) 采用同样的方法生成第2 层瓦片矩阵；如此下去，直到第n l 层，构成整个瓦片金字塔。下图2 1 为瓦片金字塔模型的构建示意图。 第0 图2 1 瓦片金字塔模型 胰 f 锰 一耙 狗 建 由于瓦片金字塔模型是一个多分辨率层次模型，因此这种模型为w e b g i s 应用系统中的地图数据服务提供了很大的方便。为了表现地形场景的细节层次， 不同缩放级别需要不同分辨率的地图，瓦片金字塔模型可以直接提供这些多分 l o 第二章瓦片金字塔地图库的预生成技术 辨率的图像数据而无需进行实时重渲染，提高了w e b g i s 应用系统的地图绘制效 率。如果没有瓦片金字塔模型，则地图必须在空间地理数据的基础上进行实时 渲染，由于渲染出一张地图是十分耗费时间和服务器资源的，这必然不利于 w e b g i s 站点对高并发访问量的支持。瓦片金字塔模型虽然增加了存储空间，但 是能够减少客户端完成每帧地图显示所需的总机时，极大地改善了用户体验。 用空间换取时间，是计算机技术领域的一个基本思想策略。 服务器端的瓦片金字塔地图库和客户端的a j a x 技术相配合还能够进一步减 少地理数据的访问量，提高地图服务器的输入输出执行效率，从而提升应用系 统的整体性能。注意从瓦片金字塔模型的底层到顶层，所切成的地图瓦片都是 同样大小的，这正是瓦片金字塔模型的一个特性。利用这一特性，当客户端的 地图显示窗口大小固定时，所需显示的地图瓦片的数目是在某一数值范围之内 的，瓦片金字塔模型的这一特性可以使客户端对地图瓦片的客户请求数目保持 在一定范围之内，同时，也大大简化了客户端瓦片地图操作的实现方法，瓦片 金字塔模型的这一特性对于w 曲g i s 地图服务平台提供良好的地图服务是非常 重要的。 2 2 线性四叉树瓦片索引 树形结构是一类重要的非线性数据结构。直观来看，树是以分支关系定义 的层次结构。四叉树结构是树形结构的一种，它的每个子节点最多只有四个分 支。四叉树结构也是一种层次数据结构，其特性是能够实现空间递归分解。图 2 2 是瓦片金字塔模型的四叉树结构示意图，它和图2 1 的瓦片金字塔模型相对 应，其中矩形符号代表叶子结点，圆形符号代表分支结点。 第2 层 第1 层 第0 层 图2 2 瓦片金字塔模型的四义树结构 当下层地图和上层地图的分辨率之比为4 ：1 时，瓦片金字塔模型中的地图 瓦片可以用四叉树结构进行存储索引管理，具体来说就是从瓦片金字塔模型的 第二章瓦片金字塔地图库的预生成技术 第0 层开始，以地图瓦片的存储路径为存储单元，每层瓦片矩阵按行序依次存 储，并采用四叉树结构建立存储索引。四叉树结构主要有两种表示方法，一种 是线性四叉树，另一种是链式四叉树。考虑到为瓦片金字塔模型建立的存储索 引数目是固定的，不会有频繁的插入、删除操作，因此采用线性四叉树最为合 适，它支持随机访问，可以在常数时问复杂度内进行地图瓦片存储位置的快速 定位。 2 2 1三种坐标概述：地理坐标、像素坐标和网格坐标 在本文所论述的瓦片地图技术中使用到了三种坐标：地理坐标、像素坐标 和网格坐标。下图2 3 展示了这三种坐标。 x ， x a ) 地理坐标 y b ) 像素坐标c ) 网格坐标 图2 3 像素坐标羽i 网格坐标蚓示 深圳市城市智能交通系统巾的地理坐标是根据所表示的深圳市区域的范嗣 而自行建立的坐标系统，坐标系的原点位于所表示的深圳市区域的左上角，x 轴 水平向右，y 轴垂直向下，其币位是千米( k m ) 。地理坐标量度的是实际地理区 域的空间范围。 像素坐标是根据渲染得到的地图图片而建立的坐标系统，坐标系的原点位 于地图的左卜角，x 轴水平向右，y 轴垂直向下，其单位是像素。地图是根据实 际地理范围按照定比例缩小后绘制而成的，地图上一段微小线段的艮度，与实 地相应线段的水平k 度之比，称之为地图比例尺( 1 m )