面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法

于松 王豐科 韓揚 王光霖 于斌 丁旸

關鍵詞：政務用圖編輯;圖層要素;疊蓋關系;智能處理

社會建設和經濟建設都需要利用地理信息數據，相對應地，地方政府業務部門基本建立了自己的業務應用平臺，在一定程度上促進了大數據信息的應用。在一些實際的政府事務中，許多政府業務都是基于國家基礎地理信息數據的。在使用過程中，需要地理信息，將信息數據轉化為圖像的形式。將原有的政務數據處理成可利用的地理信息平臺，并將其處理成用戶可使用的圖層數據。同時，通過對地理信息數據進行合理的操作，滿足不同方面的建設需要。

文獻[7]單幅圖像進行編輯傳播的問題，引入組合卷積來代替傳統的卷積，以提取更加有效的特征，增強模型的泛化能力，減少模型的參數量和卷積的操作數，實現單幅圖像的有效上色，并且能夠改善顏色溢出的情況，但是其沒有涉及并行計算問題，無法滿足較大傳輸數據量的計算需求。文獻[8]在機群環境下，解決重疊層特征之問的多對多映射關系，根據特征序列將并行任務分配給機群的計算節點，確定兩個重疊層的多邊形之間的一對多或多對多的關系;通過比較兩種特征映射關系所帶來的影響，分析了并行化算法的差異。但是隨著地理信息數據量的不斷擴大，原有的用圖處理方法不涉及并行計算問題，對于不同源的地理信息數據，很難滿足大吞吐量需求，在處理圖層要素疊蓋關系時，其處理效率較低，實用性比較差。因此，提出面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法，以解決上述傳統的圖層處理方法中存在的問題。

1面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法設計

1.1規劃政務地理信息資源

政府地理信息資源規劃需要從政府各部門的實際需求出發，根據政務實際需要規劃政府地理信息數據。總體而言，政府地理信息資源規劃主要從業務層、數據層和應用層三個方面來實現。業務層是政府空間地理信息資源的模式和數據流的基礎;數據層是核心，與政務過程中涉及的空間地理信息資源有關的數據或內容主要來自數據層。應用層主要對業務應用模式和相關數據進行管理和規劃，包括數據的獲取、刪除、修改和更新等諸多方面。

從上述三個方面建立起政務地理信息數據庫，其基本框架如圖1所示。

圖中共有5個基礎數據庫，這些數據庫之間存在一定的邏輯關系，互為補充又互相獨立。其中數字化纖圖數據庫是另外四個數據庫的基準數據庫。為政務信息數據庫提供更新維護工具的是地理編碼數據庫。該數據庫主要以國家基礎地理信息數據為基礎，滿足政府各部門跨部門的業務協同需要。

在此數據庫上，對地理圖層進行在線編輯服務，一般情況下，政務用圖編制平臺主要采用B/s體系結構開發實現。平臺的在線用圖編輯提供的主要功能有查詢功能，主要包括文本輸入查詢、指定范圍查詢。除此之外還有制作專題圖和輸出專題圖功能，其中專題圖的制作需要以含有坐標值的數據文件作為基礎;完成制作后，專題圖可進行各種不同方式的輸出，包括電子郵件、下載到本地、打印和PDF格式文件輸出。

1.2分層處理地理圖像

在處理圖層之前，使用計算機從國家基礎地理信息數據中自動提取出目標色彩信息、形狀信息和語義信息，在錄入信息之前，對地圖進行分層處理，實現地圖原圖掃描數據中各個要素層的自動分離。彩色地圖的不同要素層是通過不同顏色來表示的，在分層處理之前，使用彩色掃描儀掃描得到地圖掃描數據。具體獲取過程如圖2所示。

對于彩色地圖的分層，根據三原色混合量的不同來劃分圖層，這類圖層同時也是要素版。假設彩色圖像的尺寸為m×n，對三維空間中所有像素點進行聚類，聚類的效果反映分色前后圖像的近似程度。在分色前，選擇合適色空間，一般面向分色的彩色圖像空間有兩種，一種是lab均勻感覺色空問，另一種是RGB三原色空間。實際上，彩色圖像處理都是在RGB空間進行，每個像素的RGB值代表該像素顏色分解在三原色上的亮度，但是RGB三原色空間中像素之間缺少線性關系，因此使用lab空間作為色空間，該空間上的距離公式表示為：

公式中，AD表示色空問中的歐式距離，a表示明度分量的加權系數，一般情況下a=1。兩種色度空間的關系為：

公式中，X、y、Z表示標準照明體照射在完全反射漫射體上再反射的三刺激值，X、y、Z為顏色樣品的三刺激值。該值與RGB值之間存在線性轉換關系。如下式所示：

公式中，R、R、R表示一個單位的R在色空間中的三刺激值，同理表示一個單位的G和B在色空間的三刺激值。在實際分層過程中，將計算的歐式距離作為判別公式，實現自動地圖分層。

1.3并行處理圖層要素疊蓋關系

圖層疊蓋時，目標圖層中的要素可能與疊加圖層中的多個要素相交，存在目標圖層到疊加圖層之間的關系，這種關系是“一對多”的映射關系;同理，兩個圖層問不同方向的“一對多”的映射關系構成了“多對多”的映射關系。考慮到“多對多”的映射關系，采用并行算法設計并實現矢量圖層并行合并。該算法的具體流程如圖3所示。

對上述需要處理的疊蓋分析工具實現并行化，以要素數量指標為例，假設共有n個計算節點，計算每個計算節點上的任務量q：

公式中，Q表示要素個數，q表示每個計算節點上的任務量，該任務量是要素序列劃分后的量。節點1負責目標圖層的第1至q個要素的疊蓋請求差計算，節點2負責第q+1至2q個要素，以此類推，完成所有要素的疊蓋請求差計算，即可完成圖層要素疊蓋關系的處理。在處理過程中，序列劃分保證了計算節點操作要素在存儲序列上的連續性，主節點僅需要通知子節點以單次通信即可實現并行任務映射，從而完成圖層要素疊蓋關系的處理。

2面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法實驗研究

2.1實驗準備

面向政務用圖的圖層處理方法主要針對地理信息數據，在實驗中，分別選取Google地圖、OpenStreeMap、百度地圖與矢量地圖進行對比實驗。參數設置如下：在矢量地圖上選擇一中心點位置，縮放等級設置為15，中心瓦片換算后命名為：15/26978/12416，網站IP地址為166.111.68.197：13193;谷歌地圖的中心點位置同矢量地圖相似，縮放等級同樣為15;OpenStreetMap選取的中心點位置為39.9122.116.3947，縮放等級為15;百度地圖設置中心點坐標和地圖層級，坐標為116.402.39.9187，層級為16，通過調用百度地圖API實現地圖展示。在設置完成后，使用不同的圖層處理方法進行不同源的瓦片數據傳輸實驗和首屏響應時間實驗。

不同的圖層智能處理方法主要面對的是政務用圖，其應用平臺是政務用圖編制平臺，在首屏響應實驗中，初始化編制平臺為無緩存狀態，清空內部緩存后，手動清空矢量瓦片的緩存，保證在進行首屏的圖層數據加載和渲染時，平臺內部沒有圖層數據的緩存，減小對實驗結果的影響。在平臺中向左拖動圖層至兩個屏幕橫向距離，使圖層右端不停地向服務器獲取新的矢量瓦片，其他位置的瓦片數據通過本地緩存進行位置更新;按相反方向水平拖動圖層至首屏位置，具體操作過程如圖4所示。

圖層的左移和右移是為了驗證圖層處理方法對移動事件和緩存機制結合的正確性和有效性。在瓦片傳輸實驗中，使用Fiddler工具記錄首屏瓦片數據的傳輸和渲染過程，Fiddler能夠記錄并檢查所有當前用圖編制平臺與網絡之間的網絡通信，查看所有的“進出”Fiddler數據。通過矢量瓦片加載的數據分析，總結出三個關于圖層處理方法的關鍵指標，分別是瓦片的請求數量、瓦片渲染時間和瓦片傳輸時間。

實驗儀器為應用SM分布共享存儲處理機，設處理器數量為1、選路器吞吐容量為64K、全局同步間隔74ms、一個超級步中一個處理器至多發送或接收53條消息，即將一個數據集分解成若干個子數據集并劃分成能夠并行計算的多個子任務。

在完成兩組實驗后，根據實驗結果對比分析不同的圖層處理方法（文獻[7]方法和文獻[8]方法）。

2.2瓦片數據傳輸實驗結果與分析

實驗中需要注意的是，百度地圖投影采用的是web mercator投影，地圖瓦片的切片規則遵循TMS標準，但是在縮放層級、瓦片分辨率、瓦片規則等方面與另外三種地圖有比較大的差異。在實驗前，對百度地圖瓦片坐標原點的附近做一定的偏移處理，在實驗中僅基于均值進行對比分析。基于相同的瓦片規則選取25塊三種地圖源的數據進行處理，具體實驗結果如表1所示。

從表1中數據可以看出，提出的圖層處理方法瓦片請求數量最多，從請求開始到傳輸完成時間為2.3 s，剔除網絡延遲的0.4 s和53塊瓦片的渲染時間，其瓦片數據傳輸時問為1.9 s;同理可知，另外兩種圖層處理方法瓦片數據傳輸時問分別是7.1 s和8.3 s。綜上所述，提出的面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法所需傳輸時間更少，效率更高。

2.3首屏響應時間實驗結果與分析

對于不同圖層處理方法的性能分析，主要來自首屏的等待時間和圖層處理的流暢程度，一個良好的用戶體驗不只需要圖層的有效處理，還取決于圖層的加載速度。以標準時間為統一維度，把53塊瓦片的請求和傳輸過程畫到坐標軸上，通過請求響應時間序列來分析不同圖層處理方法的處理性能。具體結果如圖5所示。

從圖5顯示的結果可以看出，瓦片的請求方式是同步的，有效避免了數據的傳輸和渲染過程“打架”。對比觀察圖中結果可知，提出的面向政務用圖編輯的圖層要素疊蓋關系智能處理方法響應時問更短，結合瓦片數據傳輸結果可知，提出的圖層處理方法數據傳輸時間短、傳輸瓦片量大、圖層處理響應速度快，其整體處理效率更高、實用性更強，該處理方法優于傳統的圖層處理方法。

3結論

以政務用圖編輯需求為切入點，研究面向政府業務的圖層要素疊蓋關系智能處理方法。以國家基礎地理信息數據作為基礎，實現政務用圖編輯、數據管理和圖層處理等功能。并設計多項對比實驗，驗證了提出的圖層智能處理方法的有效性和可靠性。但是基礎工作量大，受到時間的限制，在研究設計過程中難免存在不足之處，如文字標注等干擾信息的覆蓋造成的信息丟失等問題，在今后的研究和實踐中將不斷加以改進和解決。