矢量切片地图技术在省级电网GIS平台的工程应用

摘

要：随着GIS技术的不断发展与完善，矢量切片电子地图作为一种新兴的互联网电子地图服务方式，相比传统的栅格切片地图具有数据轻量、高清显示、快速反应、高效更新等优点。现详细介绍了海南电网GIS平台使用ArcGIS软件实现电子地图管理、矢量切片制作和企业内网发布的工程应用情况。首先对比分析了栅格切片与矢量切片的差异，其次阐述了海南电网GIS平台的总体架构，强调了商用ArcGIS管理电子地图、自研电网GIS平台管理电网的创新思路，然后重点介绍了矢量切片地图生产和发布的整个处理流程，包括使用ArcGISPro制作矢量切片、ArcGISServer发布矢量切片、通过开源MapBoxJavaScriptAPI显示矢量地图切片和矢量电网切片，成功支撑了生产、营销、数字电网等业务管理和数据分析应用的开展。关键词：矢量切片；海南电网；GIS平台

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引言随着地理信息系统（GIS）技术的不断发展与完善，地图服务技术得到快速提高，谷歌地图、百度地图、高德地图、腾讯地图等在线地图服务相继出现，这些服务均采用将矢量数据栅格化分块处理的方式，利用金字塔模型在服务器端缓存多分辨率的栅格切片数据，通过客户端发送地图请求范围以及服务器端返回请求数据完成网络传输。但是由于栅格切片的本质是图片，客户端获取图片后无法对原始数据进行编辑分析，地图的交互式操作能力弱，地理空间分析的能力不强，难以满足复杂的地理空间信息分析需求。矢量切片电子地图作为一种新兴的互联网电子地图服务方式，在保持矢量数据精度高、制图交互性好、分析能力强等特性的同时，可保证数据的快速调度与传输，相比传统的栅格切片地图具有数据轻量、高清显示、快速反应、高效更新等诸多优点，在手机导航等个人应用方面取得了成功。海南电网GIS平台自2013年开始建设，基于自主研发的架构实现了全省输电线路、配电线路和低压线路的空间位置和拓扑管理。本着“为我所用”的策略，海南电网GIS平台使用ESRI公司的ArcGIS软件进行背景电子地图和卫星影像的管理和数据发布，较好发挥了商用软件的成熟功能优势，同时又通过自主研发图形化电网模型管理、动态拓扑分析等核心技术，支撑了停电模拟和影响用户自动统计、配网抢修指挥、配电自动化图模管理等业务应用。在2018年以前，海南电网GIS平台一直使用栅格切片发布电子地图，每次地图更新后，都需要经过近两周的时间才能完成切片数据文件的更新，周期较长。自2019年初开始，海南电网GIS平台开展了矢量切片的转换工程，历时3个月的技术攻关，完成了矢量切片服务体系的搭建和矢量切片地图的制作，达到了预定的工程目标。本文即对采用ArcGIS软件实现电子地图管理、矢量切片制作和企业内网发布的工程应用实践进行了总结。1

矢量切片技术概述1.1

地理空间数据表现形式地理空间数据最常见的空间数据组织方式是栅格数据和矢量数据。在栅格数据模型中，地理被描述为一个网格单元格，其中每个单元格有一个值用于表示占有该单元格所代表空间的特征，栅格数据除了用于数据存储和数据分析，也可用于任何格式数据的可视化。栅格数据结构简单，常用于空间分析和地表模拟，显示简单方便，但是数据量大，投影转换复杂。矢量数据是利用点线面的形式来表达现实世界。矢量数据由给定坐标的点构成。点可以连接成线，线可以连接成多边形，我们可以通过这3种结构来表示任何一种地理特征。矢量数据可用于数据分析和可视化，矢量数据结构紧凑，数据量小，常用于网络传输和检索分析，图形显示的质量高，精度准确，但是数据结构复杂，空间关系复杂。利用金字塔切片技术进行栅格切片是大多数GIS地图形成地图底图的主流方式，其原理是以四叉树金字塔模型直接切割地图图片，最终表现为金字塔分层的256px×256px的PNG图片或相应的基于图片的压缩包格式。但是栅格切片的本质是图像，用户不仅无法在前端更改其显示样式，也无法进行空间分析和交互操作，前端只是实现了用户请求区域图像的栅格切片简单拼接，在制作和存储栅格切片时需要很大的内存和时间开销。1.2

矢量切片技术矢量切片原理同样是基于四叉树金字塔模型，不过切割的不再是栅格图片，而是矢量数据的描述性文件，存储的是投影范围内所属的几何信息和属性信息，最终客户端根据地图显示范围从服务器获取相应的矢量信息，通过读取图层的样式文件在客户端实现地图的实时绘制。矢量切片一般是由矢量数据组成的数据块，用户只需要请求当前视野内的内容，不需要显示视野外的无用数据，同时矢量切片还包含了绘制所需要的全部信息，所以客户端可以对矢量切片进一步操作而无需与服务端进行交互，可以在客户端高效快速地进行定制多样化地图、添加属性标签、数据二次投影、数据空间分析等操作。矢量切片技术集合了矢量数据和栅格切片的双重特点，有如下优势：（1）样式灵活，用户可以在客户端定制或改变矢量切片的地图样式，实现了地图样式与数据源的分离。（2）数据轻量，对原始矢量数据重新编码进行切分，数据信息损失小，数据体积小，支持高清无极缩放，只返回请求范围的相应地图级别的数据。（3）快速反应，当数据库中的空间数据变化后，数据快速更新，在客户端以最新的数据进行渲染。（4）高清显示，在不同的显示设备上均可以以统一清晰的效果呈现。2

矢量切片在电网GIS平台中的应用海南电网GIS平台依托GIS技术和高体验的可视化技术，统一管理、维护电网空间、拓扑及相关地理信息，遵循面向服务架构，为各类业务系统提供平台级高效的多维度空间数据管理、可视化、空间拓扑分析及相关专题集成应用的公共服务，助力电网可视化水平不断提升。海南电网GIS平台技术架构如图1所示，采用商用ArcGIS管理电子地图，电网GIS平台管理电网的思路，按照数据访问层、应用逻辑层、应用服务和应用展现层进行多层结构体系设计，采取面向对象技术进行应用组件开发、基于SOA设计思想进行服务分层，利用基于缓存、地图切片、群集等高性能技术进行应用服务器设计，为实现实用性和先进性并重的电网GIS平台奠定基础。ArcGIS平台软件作为海南电网GIS平台的支撑软件，采用松耦合的方式，为海南电网GIS平台提供运行与系统应用集成环境。海南电网GIS平台只保留必要、特定的功能模块，借助于ArcGIS平台软件实现如切片地图管理功能，其他功能模块都不依赖于ArcGIS。3

基于ArcGIS的矢量切片方案3.1

矢量切片工具概述国内外矢量地图切片的工具包括ESRI公司的ArcGIS、微软的MapCruncher和北京超图地理信息技术有限公司的SuperMap等，开源工具包括Geoserver、Mapbox、TileStache、Mapnik等。ArcGIS是由美国环境系统研究推出的GIS方面软件的总称，是一个可根据需要增加或者减少的完善的GIS平台。ArcGIS给出了COM、.NET和C++的API，可用于二次开发。目前，ArcGIS平台已经形成了一套完整的从生产、发布到使用的矢量切片路线方案。ArcGISPro加载外部的Shapfile、mxd、GeoDatabase等地图数据，通过构建索引、切片过程，然后压缩成.vtpk格式文件，发布到PortalforArcGIS，提供给用户使用，用户可以通过WebAPI来调用，通过提供特定的类来使用矢量切片服务，WebAPI提供了对矢量地图切片的支持。ArcGIS平台矢量切片制作和发布流程如图2所示。3.2

电子地图矢量切片和存储海南电网GIS平台中涉及的基础地理数据包括全省范围内各个比例尺的电子地图、遥感影像、导航数据等，不仅数量庞大，而且还会以一定的速度增长。电网GIS平台充分发挥了ArcGIS平台软件对海量基础地理数据的切片、存储和管理优势。海南电网GIS平台的电子地图数据，使用ArcGIS制作并发布矢量切片。地图金字塔模型是GIS应用中最为常用的地图数据组织模型，在保持不变的地理空间范围内，从金字塔顶层向下，其分辨率逐级上升。矢量切片金字塔模型如图3所示，金字塔按四叉树剖分规则进行地图划分，将上层的切片均匀分裂为四象限，依次递增构建。海南电网GIS平台电子地图切片以金字塔顶层为第０层并向底部逐级递增，切片级别为L0～L19级，部分级别的切片文件数量和总存储空间大小如表1所示。采用ArcGIS矢量地图切片技术能够提高数据访问性能，预生成规矩的切片地图存储于硬盘目录下，地图以链接图片的方式快速定制。服务器根据客户端浏览地图请求时的比例参数，返回不同分割下的切片，然后在客户端实现地图的实时绘制，这种切片地图处理模式在请求及响应的速度方面有着非常明显的优势，极大程度降低了数据库服务器的压力。切片以后的海量数据通过ArcGIS平台进行存储和管理，主要有3种实现策略，即分块策略、LOD（金字塔）模型及外存模型。其中，分块策略主要是将原始数据分割成若干大小一定的规则块状数据，使系统可以一块一块地处理数据；LOD模型采用对同一个数据集中的数据使用具有不同细节的描述方法得到一组模型，供分析、绘制时选择使用，这样在进行宏观的场景观察时，仅仅需要将比较粗略的数据模型读入内存即可；外存模型则主要考虑按需读取，只将当前必须处理的数据调入内存。3.3

矢量切片在电网GIS平台中的展现电网GIS平台的WebGIS应用框架基于开源的MapBoxJavaScriptAPI，采用矢量图形传输的客户端渲染技术，在客户端进行电网和业务数据的渲染、高亮、闪烁以及其他动态效果，并且在客户端完成大部分人机交互，如距离量测、面积量测、要素统计、空间分析等操作，提供良好的用户体验，并且成功支撑了生产、营销、数字电网等业务管理和数据分析应用的开展。图4是经过ArcGIS切片处理以后的海南电网部分数据在WebGIS中的展现。4