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新的空间索引算法或将引发地图领域大革命?

发布时间:2016-04-21

笔者在敲下这一段字的时候,不由得想起上世纪末王选等老一批科学巨匠为汉字出版所作出的卓著贡献。由于汉字的复杂性,早期录入汉字时需要占用巨大的储存空间,并且在将字体放大时,字体边缘还会出现锯齿,严重影响当时的印刷。为解决这一问题,以北大王选教授为首的一批科学工作者研究出一种笔画轮廓压缩技术,通过将不规则笔画轮廓信息用分段压缩矢量的方法,使汉字的储存空间减少到原有点阵方式的五百分之一,同时保证了还原时的字形质量。为新闻、出版全过程的计算机化奠定了基础,彻底改变了中华汉字文化的传播方式与速度。

无独有偶,如今地理信息行业也面临了同样的困境。在大数据的洪流下,普通设备已经无法承载运行庞大的数据量。随着GIS领域的发展,人们对地图行业有了更多的期待。在公众领域,如人们日常使用的百度、高德地图,在使用时简单方便,但功能单一;在专业领域,Arcgis等专业平台功能强大,但在处理大量数据时,还是会面临速度慢甚至无法打开的情况。

无论是在专业领域还是公众领域,人们都希望有一个访问速度快、功能强大、性能又高的产品出现。

曾经秒杀GIS界的tile将要被抛弃了吗?

栅格图像技术(tile)的出现在当时是一个伟大的创新,谷歌地图也证明了它是一个非常简洁的为公众提供基础地理信息服务的方案。因其兼容性强、对服务器的负载低、交互响应速度快等特点,被广泛应用在互联网地图上。

但同时,栅格图像技术在应用领域有着很大的缺陷:首先,栅格图像文件对图像的每一像素点(不管前景或背景像素)都要保存,所以储存量特别大;其次,不能对图像上的任一对象(曲线、文字或符号)进行属性修改、拷贝、移动及删除等图形编辑操作,更不能进行拓扑求解,只能对某个矩形区域内的所有像素同时进行图像编辑操作;再者,当图像进行放大或缩小显示时,图像信息会发生失真,特别是放大时图像目标的边界会发生阶梯效应,正如点阵汉字放大显示发生阶梯效应的原理一样;最重要的是,位图的地理空间信息描述的单一简单形式、查询分析不灵活、服务器计算负载压力大和地形景观不直观等特点,使它很难适应日新月异的社会变化,经常带来诸多麻烦。

目前,在移动端使用的地图导航大多都只在底图中使用栅格,空间数据通过矢量形式来表达。这样,一定程度上缓解了栅格图像在图像编辑上的弊端,在某种程度上,已经可以满足大众的需求。但是在应用方面,还是难以与完全的矢量地图相比肩。

矢量地图是未来地图发展的新方向

矢量地图在学术界已经孕育多年,矢量地图的查询检索和分析功能及其客户端矢量渲染带来的个性化交互体验,在移动端中有着广泛的前景。

与栅格地图不同的是,矢量图使用直线和曲线来描述图形,这些图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等,它们都是通过数学公式计算获得的,所以矢量图形文件体积一般较小。更重要的是矢量地图在放大的过程中不会失真。这些特点让矢量地图具有广泛的应用前景。

然而在实际应用中,矢量地图也面临着许多困境。大多数矢量地图只能在专业级GIS的局域网中使用,这是其一,更重要的一点是,由于数据增大,对设备的要求呈指数增长,导致许多应用现实中无法完成。

提高大数据处理响应速度是推广矢量地图的一个突破口

目前国内跬步公司和超擎公司都在致力于推广矢量地图的应用,前者的移动GIS开发平台UCMap可以在移动设备中应用,并且拥有丰富的矢量交互功能。后者的空间索引算法让矢量地图对于T级的矢量数据基于Web端、移动端的操作实现秒级响应,一下子为矢量地图应用推开了新天地的一扇大门。

为什么超擎能有这么快的响应速度呢?超擎公司应用技术总监龚健给了我们答案。超擎在技术上的创新主要在其独创的空间索引技术。在数据传输过程中,一方面可以将矢量数据再经过化解,把需要用到的数据直接推送到前端;另一方面,空间查询的速度快,且迅速锁定信息;再则,传输数据时,使用增量传输,在原有数据精度上再增加精度,实现不失真的效果。

矢量地图的应用已渐趋成熟

如今,矢量地图已经在多方面得以应用。龚健提到,目前超擎通过创新的空间聚类索引技术已经能达到比现有矢量空间数据处理快数百、上千倍,能达到秒级响应的效果。在合作中,测绘地理信息领域应用中的影响力已经逐渐凸显。

如果通过传统瓦片方式将图片进行切片,全国将近6T的数据,需要两周时间才能完成。通过矢量地图呈现则无需切片,矢量数据就能即时使用。

超擎在基础地理信息数据库动态更新项目中,将等高线等矢量数据150G,联合卫星影像数据数十T,不切片实时发布。值得一提的是,全国地理国情普查项目巨大数据量也实现秒级呈现效果。

结语

近年来,大数据炒的火热。大数据应用中,大家首先关心的问题是数据运算的速度有多快,然后关心预测的速度有多快。现在,大家更应关心,是否比竞争对手更快得到数据分析结果,是否能比竞争对手拥有更准确的预测。矢量电子地图是大数据的重要的表现形式,是关注时空分布特点的重要视图呈现。

矢量地图对于GIS行业来说,无疑将成为一个巨大的风口。如今,矢量电子地图最后一道难关已然攻破,等待的就是一场地图行业的巨大变革。

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