基于Geotools的矢量數據自適應渲染技術研究

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.026

摘? 要：隨著WebGIS技術在各行業的快速應用，針對矢量數據在前端地圖表達和服務發布過程中效率較低的問題，借助Geotools類庫以及風格化圖層描述語言，通過矢量數據的讀取與屬性解析，基于標準樣式庫的自適應匹配、風格化圖層描述文件生成與動態渲染等過程，實現了地圖圖層的自適應匹配渲染和個性化配圖，從而大幅度提高了地圖配圖與渲染的效率，可為矢量數據快速渲染和可視化表達提供新的技術手段。

關鍵詞：矢量數據;地圖渲染;數據匯交;數據共享

中圖分類號：TP391.4? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-4706（2021）09-0100-04

Research on the Adaptive Rendering Technology of Vector Data Based on Geotools

WANG Li

（Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping，Jinan? 250102，China）

Abstract：The WebGIS technology have been rapidly used in all kinds of fields and is still in the development stage，aiming at the low efficiency of vector data in the process of front-end map expression and service publishing，with the help of Geotools class library and stylized layer description language，through the vector data reading and attribute analysis，adaptive matching based on standard style library，stylized layer description file generation and dynamic rendering，the paper achieved that adaptive matching rendering and personalized map matching of map layers，which greatly improves the efficiency of map matching and rendering，and provided a new technical means for rapid rendering and visualization of vector data.

Keywords：vector data;map rendering;data exchange;data sharing

0? 引? 言

隨著人類空間數據獲取能力的不斷提升，以自然資源專題數據為代表的矢量數據愈來愈豐富，若要實現這些專題數據的共享訪問，則必須基于統一的分類標準和渲染風格進行地圖的動態可視化表達和快速地圖服務發布^[1，2]，鑒于目前大多數的前端地圖服務的渲染和發布都是基于人機交互模式，因此研究一種矢量數據的自適應渲染和快速服務發布技術已成為迫切的需求。

關于矢量數據的渲染，黃若思等人研究了基于幾何的WebGL矢量數據三維渲染技術，提出了在水平方向和垂直方向上進行矢量數據渲染優化的方法^[3];薛純在分析了開源引擎Mapnik的渲染機制的基礎上，通過搭建和改造Hadoop實驗集群，實現了矢量數據的分布式渲染，提高了渲染效率^[4];何必仕等人針對矢量數據在手持設備上渲染速度慢的問題，基于OpenVG進行了矢量圖渲染加速算法的研究，從路徑柵格化和路徑分解算法方面進行了優化，取得了較好的應用效果^[5];慕旭等人針對網絡環境下三維GIS交互式渲染中存在的問題，利用WebGL的優勢，通過引入延遲渲染技術，提出了一種基于屏幕空間的三維地形矢量線符號渲染方法，改善了多尺度下矢量數據的疊加顯示效果^[6];曹存相等人則提出了一種基于WebGL的矢量瓦片渲染優化方法，通過有效組織矢量瓦片的屬性信息及空間信息，加快了網絡傳輸及前端快速渲染解析效率，從而提高了矢量瓦片數據交互渲染的速度^[7]。

目前GeoServer選用風格化圖層描述語言（Styled Layer Descriptor，SLD）進行矢量地圖數據的渲染，SLD允許采用更加靈活的方式來進行地圖的渲染^[8]。為此本文通過借助SLD和Geotools技術，通過構建標準樣式庫，進行了矢量專題數據自適應渲染功能開發，從而提升了地圖服務發布及共享訪問效率。

1? 技術基礎

1.1? SLD樣式描述語言

SLD是OGC標準體系下的樣式描述語言，其通過與地理信息數據相結合實現地圖渲染功能^[9]。SLD規范是采用XML定義地圖顯示樣式，通過自定義SLD可以進行過濾器的設置，增刪圖例等操作，其描述了如何在WMS規范的基礎上進行擴展使之支持用戶對要素數據進行自定義的符號化顯示，能夠被任何一種支持WMS的服務器軟件所支持。SLD通過XML元素進行樣式的表達，其根元素主要包含和等兩個子元素。SLD的具體結構如圖1所示。

是SLD的根元素，包含子元素和，其中用來渲染外部的數據，元素的渲染數據包含在文件中。元素包含四個子元素，分別是：名稱子元素，描述子元素，以及和。

定義了該元素的名稱、摘要、標題、是否默認樣式以及要素類型樣式。定義了樣式的名稱、摘要、標題，能夠包含多個。是SLD最重要的一個元素，用來設置與渲染有關的相關參數，通常一個中只渲染點、線、面其中的一種要素類型，允許有條件的映射的特點。與分別用來設置圖層的最大比例尺與最小比例尺，可以根據比例尺來設置圖層可見性，能夠讓圖層根據比例尺的變化而動態的調用。用于描述點數據，對點符號的顏色、大小、是否圖片表示等進行設置。用于描述線數據，采用元素描述線的顏色、寬度等。用于描述面數據，設置面內需要填充的顏色、透明度等。用于描述注記數據，設置注記的文本內容、大小、字體等。用于描述柵格數據，可以設置柵格數據的透明度、像素值等。

1.2? Geotools類庫

Geotools是一個基于OGC標準的開源的Java類庫，通過Geotools可以進行地理信息系統平臺的構建，實現相應空間數據的處理和分析功能。uDig、GeoServer等開源軟件都是以Geotools為基礎研發而成^[10]。Geotools按照功能劃分模塊，結構清晰，使開發人員在開發過程中實現更輕松的擴展，可以根據源代碼進行功能定制，同時不需要服務器即可實現地理信息數據的交互顯示，Geotools支持多種地理信息數據的訪問能力，支持多種格式的矢量、柵格數據的讀取，同時能夠對PostgreSQL等空間數據庫進行讀取;支持多種地圖投影，能夠進行地圖投影轉換;支持對電子地圖的渲染;具有強大的空間分析能力。

本文選用Geotools作為地圖渲染的主要組件，用于讀取空間數據的屬性值，對矢量專題數據進行渲染，結合Servlet將數據渲染結果實時傳回前端進行展示，并基于Geotools生成矢量專題數據的快視圖。

2? 矢量數據的自適應地圖渲染

所謂自適應渲染過程就是基于數據字典與標準樣式庫，依據矢量數據的分類屬性，通過對標準式樣的自動對應選取，在瀏覽器端實現地圖圖層的自適應渲染與可視化表達。為此在基礎地理數據分類標準體系的基礎上，首先需建立針對各矢量專題數據的樣式標準數據庫，以此作為自適應渲染的前提。

2.1? 標準式樣庫構建

針對點狀要素數據，如居民點、學校、醫院、公交站等，通過構建符號庫的形式存儲點符號;針對線要素數據，如道路、河流等，主要是通過構建線型庫進行線型樣式的設置;針對面要素數據，如土地資源分類專題，主要通過土地分類屬性構建標準填充樣式數據表，具體如表1所示。

2.2? 矢量數據自動渲染過程設計

為實現矢量數據的自動化渲染，設計了自適應地圖渲染流程，主要包括了：矢量數據的讀取與屬性解析、基于標準樣式庫的自適應匹配、SLD文件生成與動態渲染等過程。具體地圖自適應渲染過程如圖2所示。

2.2.1? 矢量數據讀取與屬性解析

本文所采用的實驗數據為shapefile格式的矢量數據，在進行地圖服務發布時，通過瀏覽器端的頁面鏈接本地矢量數據文件，并通過AJAX技術將數據傳送至后臺服務端，后臺服務端使用Geotools類庫進行屬性數據的解析與要素重分類。

2.2.2? 標準式樣的自適應匹配

要素分類完成后，需要根據要素的分類屬性，在標準樣式庫中進行鍵值對自適應匹配。若匹配成功，則選定使用標準式樣庫中的式樣;若匹配不成功，則借助前端Element組件庫的顏色選擇器進行對應填充色的調整，從而實現個性化配圖。

2.2.3? SLD樣式文件生成及地圖自動渲染

在要素的自適應渲染式樣選擇完成后，可基于DOM4j XML API自動生成SLD樣式文件，并使用Servlet進行地圖的轉發，并在前端進行地圖的實時渲染展示，具體不同要素的SLD渲染結果如圖3所示。

3? 矢量專題數據的快視圖生成

為了便于后期進行矢量專題數據的共享訪問和地圖預覽，需要基于Geotools庫實現矢量專題數據的快視圖生成，并存儲至元數據庫，主要步驟包括：矢量數據以及渲染式樣文件讀取、快視圖生成與存儲等。

本文以shapefile格式的矢量數據為例進行試驗，首先通過獲取shapefile文件與對應SLD文件的存儲路徑，使用Geotools庫讀取shapefile文件，通過設置中文編碼格式，實現中文屬性讀取，并同時進行SLD樣式文件的讀取和解析，進一步通過矢量數據的空間范圍和自適應選擇的要素式樣，進行快視圖的內存生成，并將結果輸出至指定位置進行存儲，具體基于原始矢量文件生成的快視圖如圖4所示。

4? 結? 論

目前進行矢量數據的地圖發布大多是運用成熟的軟件通過人機交互的方式進行，由于這種傳統方式能夠根據個人的喜好進行矢量數據的個性化地圖渲染，針對特殊數據量不大的應用場景比較有利，但針對定期進行矢量數據更新的場景則比較困難。為了解決該問題，本文充分利用Geotools類庫對地理信息數據的強大支撐能力和SLD樣式描述語言靈活的地圖圖層渲染能力，通過基于設置的標準樣式庫的自適應匹配、SLD文件生成與動態渲染等過程，實現了矢量數據的動態地圖渲染，結合Servlet將數據渲染結果實時傳回前端進行展示，并進一步基于Geotools生成了矢量專題數據的快視圖。本文研究的方法可為矢量圖層數據的自動服務發布和數據共享提供一定的技術參考。

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作者簡介：王麗（1969.10—），女，漢族，安徽壽縣人，高級工程師，本科，研究方向：測繪工程。

收稿日期：2021-04-09

基金項目：山東省重大科技創新工程項目（2019JZZY020103）