面向WEB可视化的矢量数据流式渐进传输研究

【摘要】随互联网的日益成熟和普及，网络地理信息系统（WebGIS）已成为地理信息发布、共享和应用的必然趋势。WebGIS以Web服务的方式实现服务器与客户端之间的数据交换。常见的Web服务主要提供栅格与矢量两种格式的数据传输方式。基于瓦片地图技术的栅格传输模式目前应用广泛，但客户端获取的仅是已经加工好的地图图片，无法对原始数据进行进一步的编辑和分析。提供矢量数据的Web服务主要用于数据查询和编辑，仅适用于数据量较小的网络数据交换。当客户端需要处理较大规模矢量数据时，现有的WebGIS技术难以满足这一需求。本文针对WebGIS中大规模矢量数据的传输问题，探讨矢量数据组织模式、网络传输机制及相关的技术实现方法。在网络环境中，为满足大规模矢量数据传输的效率和质量要求，本文采用流式渐进传输的服务方式，分批次向客户端传输所需数据，从而达到矢量数据在线实时应用的目的。本文研究思路是：①在分析流式渐进传输机制的基础上，设计适应于WebGIS的矢量数据传输服务框架。②建立矢量要素的重要性评价模型，确定渐进传输的先后顺序。③按照流式传输的要求组织数据，保证每个批次的要素作为独立的单元传输并在客户端处理。④在传输过程中，通过实时传输协议实现矢量数据的往复传输和质量控制。⑤最后建立原型系统，验证流式渐进传输服务的可行性和可用性。本文主要研究成果如下：（1）设计了矢量数据流式渐进传输的服务框架，包括服务器端地理空间要素选取和流式组织，网络传输层的流式传输和质量保障，客户端缓存及处理应用等。服务框架涵盖了空间信息量度量模型、矢量数据选取策略、矢量数据编码规范、流媒体传输协议与服务、网络传输质量控制、矢量数据可视化等关键技术。（2）定义了基于信息熵的空间要素信息量度量模型。针对要素选取问题，引入信息熵对矢量地图中的地物要素信息量进行了综合、定量的分析。构建了几何大小因子、空间分布因子、专题属性因子信息量度量模型，作为空间要素重要性判别的依据。基于信息量度量模型实现了点、线、面要素的选取算法。该算法能综合考虑空间对象的几何大小和空间分布对地图信息量的影响，优先选取对地图全貌贡献大的空间要素进行传输，从而保证信息量大的数据先到达客户端。（3）提出了适用于流式渐进传输的矢量数据存储机制。矢量数据流式传输中，需要按照传输的优先级组织要素，形成流式传输的独立单元结构。本文设计了一种支持信息量选取的分块矢量数据结构，满足每个分块作为独立的单元传输并在客户端处理。该结构遵循OpenGIS标准编码规范，并支持点、线、面等基本几何要素综合存储。在此基础上，开发了矢量数据文件转换器，将不能适用于流式传输的普通矢量数据文件，转换为具有独立分块信息的、适应于流式传输的矢量流式文件。（4）实现了基于实时传输协议的矢量数据流式渐进传输方法。参照流媒体文件“边传边播”的模式，设计了矢量数据包的封包和解包算法。该方法实现了矢量数据的发送和接收，达到了多次往复传输的目标，且能够通过差错控制和纠错恢复等手段保证数据传输质量。（5）开发了一套矢量数据流式渐进传输的原型系统。系统包括服务器端矢量数据流式组织、传输层的流式传输服务，客户端矢量数据渐进显示功能。采用1:100万中国基础地理数据库，从信息量传输率、数据传输量、响应时间以及客户端显示效果等方面进行了测试。结果表明，流式传输矢量要素，当传输的几何对象数量为总数的10%左右时，信息量传输率达到了总信息量的80%。在传输效率上，与WFS（Web要素服务）相比，基于流式分块的数据结构能够降低约50%的数据传输量，传输时间减少了40%以上。在响应时间上，WFS要求数据传输完毕后一次性显示，而流式传输接收到第一个矢量分组就可以显示，因此在数据量较大的情况下本系统的响应时间在5秒之内，而WFS响应时间很长甚至失去响应。本文验证了矢量数据流式渐进传输的可行性：流媒体传输协议能够提高传输效率、保证数据质量；基于选取因子模型的流式数据结构减少了数据传输量，同时保证用户获取充足的信息；流式渐进传输机制能够满足大规模矢量数据网络传输需求，丰富了空间数据Web服务方式，对于相关的WebGIS应用开发具有重要意义。
【作者】苗茹；
【导师】孙九林；
【作者基本信息】河南大学，地图学与地理信息系统，2014，博士
【关键词】网络地理信息；渐进传输；信息量；空间要素；实时传输协议；可视化；

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