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时空信息学报丨海图矢量切片地图服务自动发布及更新技术

2024-11-2926

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《时空信息学报》是由自然资源部主管，国家基础地理信息中心、中国地理信息产业协会、黑龙江测绘地理信息局共同主办的中文学术期刊，双月刊。为分享最新研究成果，搭建学术交流平台，中国地理信息产业协会公众号开设“时空信息学报”专栏，独家刊载《时空信息学报》论文，供广大读者研阅。11月1日起，陆续刊发2024年第4期的10篇论文。欢迎产学研用各界关注、分享！

海图矢量切片地图服务自动发布及更新技术

严怀志¹，魏海洋²，丁广瑞²，朱利安¹，彭长江²

1. 东海航海保障中心上海海图中心，上海 200090；
2. 国信司南（北京）地理信息技术有限公司，北京 100142

摘要：针对栅格地图服务更新周期长，难以满足海图地图服务高频更新的需求，以及海图结构与可视化复杂等问题，本文基于矢量切片技术构建海图服务自动发布及更新方法。首先，设计从数据格式转换、变化数据识别更新、数据可视化预处理、数据分级预处理、数据切片配置、地图配置及服务更新发布的流程框架；其次，构建基于GDAL的S-57格式自动转换、多尺度离散海图数据向多级地图服务映射、海图数据-符号编码构建及处理等数据整合治理方法；最后，实现电子海图多样式和纸质海图样式的海图地图服务制作及更新，并通过对比实验验证可行性。结果表明，与传统栅格地图服务相比，基于矢量切片技术的海图地图服务无论在数据存储、更新效率等方面都有明显优势。

关键词：矢量切片；Mapbox；海图数据；数据治理；数据更新；可视化；地图服务制作；自动发布引用格式：严怀志, 魏海洋, 丁广瑞, 朱利安, 彭长江. 2024. 海图矢量切片地图服务自动发布及更新技术. 时空信息学报, 31(4): 553-561

Yan H Z, Wei H Y, Ding G R, Zhu L A, Peng C J. 2024. Automated publication and update technology for vector slicing map services of nautical chart. Journal of Spatio-temporal Information, 31(4): 553-561, doi: 10.20117/j.jsti.202404007

1 引言

21世纪是海洋的世纪，人们对海洋领域的探索、开发、利用越来越频繁、深入(胡德坤和晋玉，2022)。海图是海洋信息的载体，广泛应用于军事、经济、科研和政治等领域，海图地图服务是海图数据与地理信息系统的结合，为使用者提供了方便、快捷的地图浏览、定位等功能。海图海事领域中，宝船网、船讯网等生产、加载了海图地图服务，但其服务类型均为栅格瓦片服务，存在体量大、样式更新困难、服务更新周期长等缺点，而面对海图数据周更的更新频次更是难以支撑（陆毅等，2013；石娜，2021；胡晓曦等，2024）。

矢量切片技术具有更高的精度，更好的灵活性和交互性，传输和渲染速度更快，瓦片数据与风格样式独立、显示质量更高、存储空间小等优势，因此得到了广泛的应用（Netek等，2020；林尚纬等，2022）。常见的矢量切片技术包括ArcGIS Pro、GeoServer、Mapbox等。Arcgis Pro为ERSI公司推出的产品，通过将数据转化为电子地图并发布为矢量切片服务，并利用 ArcGIS for JavaScript 进行地图渲染（石娜，2021）；Arcgis Pro功能强大，但作为桌面端产品协同作业能力较差，且使用成本高。GeoServer为开源服务，具有低成本、易扩展、功能完整等优势（刘旭等，2022；吴国超等，2022）；但配置复杂，对于数据结构复杂、治理工序较多的数据适用性较差。Mapbox以开源方式搭建了矢量切片技术生态，具有更新便利、样式多样、交互性等特点（朱秀丽等，2016；杨士乐等，2020；郑志河等，2021）。

海图数据以S-57格式进行存储，通常S-57海图核心文件拓展名以“.000”格式存储，用户不可见，数据结构较为复杂（刘锋等，2014）。海图数据具有动态性与高频更新特性，海图数据之间符号表达具有多维性及依赖性，海图不规则图幅分布也导致海图服务更新不仅影响更新图幅所在层级的数据变化，也会对周边图幅产生影响。任何一层的更新延迟或错误都可能使得整个服务信息不一致，导致服务更新困难。针对以上问题，鹿馨云（2021）提出了利用 SuperMap ENC Designer对电子海图文件进行处理，结合Mapbox技术实现 Web 电子海图的简单数据可视化展示；但其对海图复杂数据可视化缺乏研究。范梦琪等（2021）提出了基于GeoServer与地图可视化JS库Leaflet的矢量切片技术Web电子海图优化方案，初步实现了web电子地图展示；该方法对海图数据频繁更新引发的服务快速更新的应对研究不足。

综上所述，本文基于Mapbox矢量切片技术，研究S-57数据从格式转换、变化数据识别更新、数据可视化预处理、数据分级预处理、数据切片配置、地图配置及服务更新发布的全流程制作、更新，实现复杂数据、符号的可视化展示，以及海图地图服务自动化快速制作与更新，提高数据及地图服务的更新效率。

2 海图地图服务自动发布与更新技术

海图地图服务自动发布与更新技术框架如图1所示。首先，将S-57数据导入系统进行数据自动化处理，处理内容包括数据格式转换、变化数据识别更新、可视化数据预处理、数据分级预处理；其次，对数据成果进行切片组织配置、数据切片、入库；最后，利用地图资源库进行地图配置，并对成果进行服务迁移、服务更新。

2.1 数据格式转换

海图数据以S-57格式进行存储，通常S-57海图核心文件拓展名以“.000”格式存储，改正信息以拓展名“.001”“.002”等格式存储。S-57海图数据文件采用ISO8211作为数据封装格式，把数据结构封装在物理传输结构中，便于数据规范化传输，但数据读取难度大、转换复杂，使得S-57电子海图数据不能与地理信息系统（geographic information system，GIS）实现资源共享，限制S-57数据广泛应用（叶美芬和陈育才，2020；余粉香等，2021；李海松，2023）。

为使S-57电子海图数据与GIS相结合，将S-57格式转换为GIS软件较易识别的格式，基于GDAL将S-57格式中的物标信息根据GIS的数据存储特点区分为点、线、面不同存储模式，实现S-57电子海图格式数据到Shapefile格式数据的转换，如图2所示。

2.2 变化数据识别更新

海图数据更新是按海区实际情况修正海图内容，来保持海图现势性的工作过程。S-57电子海图数据更新周期为每周局部图幅、局部区域更新（陈兵，2019）。为保证海图数据及海图相关地图服务的现势性，根据电子海图数据组织结构研究总结了海图数据更新类别，并有针对性地提出了变化数据的检测、提取、更新方法，实现了海图数据更新自动化。

S-57电子海图数据文件组织形式为图幅号→大改正→小改正，根据文件组织形式而言，S-57电子海图数据变更类别包括图幅变更、大改正变更、小改正变更，数据更新类别说明及影响、处理原则如下所述。

（1）图幅级别变更。图幅变更主要是对图幅进行增、删（彭认灿等，2018）。更新涉及图幅比例尺更新、图幅范围更新等，影响整体数据情况，因此图幅更新涉及该图幅全量数据更新、替换。在地图服务制作中，当图幅范围发生变化时，除影响变更图幅外，还影响其相邻图幅各级别的数据显示范围；当图幅比例尺发生变化时，若变化较大，还将影响本图幅的地图显示级别，并间接影响其他图幅的显示级别。

（2）大改正变更。大改正变更即版本变更主要是当航海图小改正过多而影响图的清晰度时进行的大改正，发生此项变更时数据变化量大，尤其可能涉及等深线、等深点等分布广泛的数据，因此大改正变更的数据图幅会涉及整体更新、替换（彭认灿等，2018）。大改正变更仅影响本图幅数据，对其周边数据的显示范围、显示级别无实质影响。

（3）小改正变更。小改正变更即要素变更主要是根据航海通告对海图个别要素进行的改正（彭认灿等，2018）。小改正变更变化数据较少，多为要素级别，仅更新、替换个别要素即可。

基于对象变化检测算法，按照海图数据图幅级别变更、大改正变更、小改正变更三类，研究了海图地理信息要素的几何–字段–属性增量数据自动化提取更新模型。

对于不同时期、同精度、同范围的海图数据的变化更新而言，只判断要素唯一标志和时间，或者只用LNAM字段（即长名字段，作为外部指针使用，可用于唯一标识）提取数据变化会存在一定风险；在数据作业过程中或日常数据库操作下，可能会出现更新时间错乱和LNAM排序混乱，导致变量提取不准确。因此，考虑从数据空间形态和要素属性，判断空间位置信息和要素属性信息的一致性，从而准确提取空间情况，即根据物标的LNAM字段、关键属性信息、位置信息组合进行判断，变化情况包括删除、更新、新增，发生变化时则进行数据更新替换。

2.3 数据可视化预处理

数据可视化预处理是为满足地图可视化符号表达规范，提升可视化效率而进行的前期数据预处理工作，包括海图表达样式自动处理、数据–符号编码体系及符号规则库的构建。

2.3.1 海图表达样式自动处理

以纸质海图为例，根据《中国海图图式》（GB12319—2022），本文分析了点要素、线要素、面要素数据类型，以及信息图类数据的表达。

1）点要素

（1）点要素直译式表达，是根据图层某一属性类别可以直接符号化或直接标注的要素。

（2）点要素跨图层联合表达，指一个图层无法表达其符号内容，需根据其他图层同位置要素进行同步判断方可判断该位置信息符号。海图数据中典型代表为航标类要素、沉船障碍物，表1以专用/通用立标（BCNSPP）为例说明。根据《中国海图图式》（GB12319—2022）第18章浮标、立标要求及行规，需要计算BCNSPP图层与顶标（TOPMAR）、深度范围面（DEPARE面要素）的叠置关系：当BCNSPP与TOPMAR、DEPARE面相交时，表示该立标地物有顶标且位置在海上；当BCNSPP与TOPMAR相交但与DEPARE不相交时，表示该立标地物有顶标但位置不在海上。

2）线要素

线要素直译式表达，根据图层某一属性类别可以直接符号化或直接标注的要素。

3）面要素

（1）面要素直译式表达，根据图层某一属性类别可以直接符号化或直接标注的要素。

（2）跨比例尺面要素表达。海图数据为离散式分布，同一级别中存在不同比例尺数据，对于不同比例尺之间的同一地物存在被切割现象，切割处面状要素边线符号化后产生多余边线会影响图面美观，因此要将面要素转换为线要素。挑选衔接处面转线要素的数据，计算此类线要素重叠度，若重叠度大于98%以上，则两者均删除。

（3）面要素航道类开放式符号表达。航道类要素在制图规范中要求短边边线、连通处边线不封闭，表示航道开放通行，但面要素在制图表达时无法短边不展示，因此要将面边线转为线要素。通过自动去掉短边或相连接处的线段，以达到航道开放的效果，如图3所示。

（4）面要素符号及其中心点表达。在海图符号表达中，部分数据符号与其显示比例尺相关，如锚泊区（ACHARE面要素），图上范围较小（一般小于50mm×50mm或2500mm²）时，使用边线简单符号化与中心点符号化结合表达方式，如图 4（a）所示。当图幅范围较大时，使用边线为间断线+符号与中心点符号化相结合的表达方式，如图 4（b）所示。单一面要素的表达方式难以实现，因此计算面要素的中心点并计算地图服务在不同地图显示级别时面要素的面积，当数据满足面要素面积≥

×0.0025时，使用辅助中心点符号。

4）信息图类表达分析及处理

潮流表（TS_PAD）图层其TS_TSP字段中存储了不同潮流的潮流角度、潮流流速信息，此信息符号表达为箭头散射状分布且标注每个方向的潮流流速。为了满足符号表达需求，根据TS_TSP字段进行数据拆分，将潮流角度、潮流流速分别存储在两个字段中，并由单一要素变为多个要素，如表2所示。

2.3.2 数据–符号编码体系及符号规则库建立

海图符号系统是由各种符号、线划、色彩所构成的视觉图形语言系统（廖克，2003）。海图数据地物含义经由海图符号系统表示，建立基于符号类为驱动的数据–符号编码规则，为每个要素与符号设置统一编码，尤其对于点要素跨图层联合表达的数据，符号表达的精确性非常必要。因此，本文构建了海图数据–符号联动编码并建立了海图符号规则库。

海图数据–符号联动编码主要为六位编码，前两位代表不同数据大类，共20类，第三、四位为小类分类，后两位为顺序号，如表3所示。

2.4 数据分级预处理

海图数据具有无序分布、多样化比例尺、无全覆盖比例尺数据等特征，海图地图服务与陆图地图服务同框显示，因此在陆图地图服务分级框架的基础上，遵循《地理信息公共服务平台电子地图数据规范》（CH/Z 9011—2011），研究了海图各比例尺与陆图地图服务分级之间的映射关系。映射原则为以陆图地图服务为基准，优先满足地图服务全覆盖特征。在海图比例尺无法全覆盖沿海范围时，若下级数据覆盖不全，则以上级数据中最大比例尺的数据（如有）进行补充的形式映射；其次依据比例尺相近原则映射。

通过上述原则，形成了配置文件1（海图图幅号、不同比例尺数据对应关系）、配置文件2（海图比例尺与地图级别的关系）作为控制数据分级情况的依据，并通过数据裁切及字段控制数据所在级别。效果如图5所示。

2.5 数据切片配置

数据切片组织是地图服务制作的关键一环，关系着地图服务各层级数据内容、展示情况。本文切片配置主要为切片配置、图层配置、过滤配置，如图6所示。切片配置主要是对切片大小、瓦片裁切、要素简化、要素抽稀情况等进行配置；图层配置为数据成果中各图层是否切片，确定各级别数据切片图层；过滤配置是在切片图层中根据属性内容进行数据过滤，以区分不同级别相同图层的切片内容。

矢量切片地图服务使用瓦片管理与存储规范——MBTiles，MBTiles规定将生成的切片数据存储在一个SQLlite数据库中形成“.mbtiles”格式文件，即切片数据集，实现了存储空间的集约化。

2.6 地图配置及服务更新发布

矢量切片类似于栅格瓦片，以构建金字塔的方式将矢量数据进行分割并存储于服务器端，在客户端根据指定的样式进行渲染绘图（王雪影等，2022）。本文基于矢量切片技术研究了在线配置纸质海图显示模式、电子海图显示模式等多样式海图地图服务。

在线地图渲染模板实现步骤：①将海图原始数据上传至服务器后，经过上文所述过程；②在地图配置端进行符号、字体、图标等资源上传配置，形成地图数据库资源，切片完成后应用Mapbox-gl.js对矢量切片进行Web前端渲染；③根据地图配置样式，抽取地图资源库中对应的字体、符号，在线配置数据切片服务的地图符号参数、地图标注参数、地图形式范围等内容，配图渲染方式可以根据不同风格在线动态配置，实现在线多风格地图渲染效果（图7）。地图渲染模板形成后，加载更新数据，确定无误后进行发布迁移，形成瓦片增量包统一更新替换到地图服务数据库中，以达到服务更新效果。

3 实验结果分析

以民用海图海事服务平台为例，本文探讨了矢量切片技术在海图服务自动发布与更新中的应用。民用海图海事服务平台支持数据点选查询、数据分层控制功能等（图8）。地图服务更新频率达到至少季度整版更新，可为用户提供易用性强、现势性强的地图服务。

为验证有效性，实验对相同区域的相同或不同时效的海图数据进行了性能测试。

1）栅格瓦片服务与矢量切片服务对比

在相同配置及相同数据源的基础上，选取长江口部分区域数据，使用同一套生产系统进行栅格瓦片服务与矢量切片服务生产对比，结果如表4所示。相同条件下生产的不同类型地图服务，矢量切片服务数据存储数据量比栅格瓦片服务减少了6.5倍，服务加工时间缩短1.75倍。

2）矢量切片服务生产与更新情况对比

使用2023年3月、5月海图数据进行数据生产及更新情况对比实验。应用2023年3月数据进行服务生产，共涉及542幅图；应用2023年5月数据进行服务更新，图幅级变更共7幅，大改正变更共61幅图，小改正变更共153幅图，整体变化图幅共计221幅图，数据变化量占比为40.7%，结果如表5所示。相较服务生产而言，服务更新节约68%的时间，服务更新效率显著提高。

4 结论

在分析海图数据及矢量切片服务特点的基础上，研究了如何将海图数据自动发布为海图矢量切片服务；构建了基于矢量切片技术的海图自动发布与更新的技术，包括数据格式转换、变化数据识别更新、数据可视化预处理、数据分级预处理、数据切片配置、地图配置及服务更新发布。

基于矢量切片技术可以实现海图服务自动发布与快速更新，可支持数据查询、分层控制等功能。相比栅格地图服务而言，海图矢量切片服务生产效率提高了1.75倍，存储数据量减少了6.5倍，海图矢量切片服务具有显著优势；服务更新效率比服务生产提高了68%左右，说明本文方法可行。

为了满足数据制图需求，实验在原有数据基础上增加了许多可视化辅助信息，增加了数据存储量。下一步工作，将继续研究优化数据可视化辅助处理工序，减少冗余信息存储。

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来源：《时空信息学报》2024年第4期

编辑：李娟

审核：余青

独家：《时空信息学报》专栏