变尺寸矢量瓦片的
组合式格网划分方法

张翼 ZHANG Yi
李精忠 LI Jingzhong

研究背景

现行矢量瓦片地图常采用均匀格网划分方法,但该方法未顾及空间数据的集聚性和异质性,导致瓦片数据大小不均,地图数据密集区域加载缓慢,影响可视化效率。

在信息技术快速发展的背景下,测绘地理信息数据呈现爆发式增长,标志着地理学相关研究已进入大数据时代。WebGIS支持下的在线地图已广泛应用在大众出行、城市规划、交通管理及资源调查等领域。

现有方法的局限性

均匀格网

瓦片数据量过大、负载不均衡、加载延迟严重

四叉树

数据密集区瓦片数量激增,递归深度指数增长

k-d树

生成狭长不规则瓦片,切片效率低,计算开销大

创新方法

1

多尺度信息模型

依据矢量瓦片金字塔各层级尺度参数,构建多尺度信息模型。通过制图综合方法对点、线、面要素进行化简和选取。

2

组合式格网划分

采用四叉树结合k-d树的组合式格网划分方法,通过引入矢量瓦片数据量阈值动态调整格网结构。

3

并行计算架构

采用层级解耦策略,将切片任务按空间层级拆分为独立子任务,通过多核资源协同加速切片过程。

4

Geohash编码索引

使用Geohash编码技术建立索引,实现矢量瓦片的快速检索和动态加载。

技术实现细节

切片阈值计算

基于网络传输速率(100 Mbps)

终端设备显示参数(分辨率与帧率)

人眼视觉感知特性

瓦片传输时间控制在10ms以内

最大瓦片数据量:128 kB

动态切换策略

第一阶段:四叉树划分

当 S > MaxQTSize 时,采用四叉树递归划分,快速实现全局粗粒度划分

第二阶段:k-d树优化

当 S ∈ [MinKDSize, MaxQTSize] 时,切换至k-d树划分,解决局部高密度问题

实验设计

北京

兴趣点:709,232个

道路网:191,898条

建筑物:2,938,536个

重庆

兴趣点:927,758个

道路网:119,009条

建筑物:5,501,408个

兰州

兴趣点:122,963个

道路网:30,432条

建筑物:749,181个

对比方法

均匀格网切片 四叉树切片 k-d树切片 组合式格网切片

核心研究成果

93%
切片效率提升

相比均匀格网方法,组合式格网切片效率提升93%

43%
加载效率提升

在数据密集视窗(重庆9级),加载效率提升43.03%

0.28
数据均衡性

瓦片间数据量变异系数控制在0.28以下

详细性能对比

切片时间对比

  • 均匀格网:26,916秒
  • 四叉树:3,751秒
  • k-d树:2,740秒
  • 组合式格网:1,998秒

瓦片数量增长

  • 均匀格网:每级增长4倍(指数级)
  • 四叉树:增速较快
  • k-d树:增速适中
  • 组合式格网:每级增长1.75倍

瓦片数据质量分析

均匀格网

变异系数:1.72~3.34

评价:极不均衡

规则度:完全规则

瓦片数量指数级增长,含大量空白瓦片

四叉树 / k-d树

四叉树变异系数:0.49~0.65

k-d树变异系数:0.04~0.20

四叉树:规则但不均衡

k-d树:均衡但极不规则

组合式格网 ⭐

变异系数:0.16~0.28

评价:较均衡

规则度:约为2

在规则性与均衡性之间取得最佳平衡

方法核心优势

避免超大瓦片

有效解决传统均匀格网在数据密集区域面临的瓦片数据量过大问题

负载均衡优化

实现瓦片间数据分布均衡化,优化传输负载分配

减少加载延迟

显著降低页面响应延迟,提升用户体验

保持瓦片规则性

比k-d树更好地保持瓦片形状规则性,避免狭长瓦片

适用场景与应用价值

理想应用场景

  • 大规模城市地理信息系统
  • 高密度路网与POI数据可视化
  • 建筑物三维模型展示
  • 海量且分布极度不均匀的空间数据

技术特点

  • 数据驱动的动态划分逻辑
  • 全局动态划分与局部均衡优化
  • 并行计算架构提升效率
  • Geohash编码实现快速检索

研究结论

本文提出的变尺寸矢量瓦片组合式格网划分方法为有效解决瓦片生成冗余和负载不均衡问题提供了新思路。

主要贡献

  • 设计了基于组合式格网的并行划分架构,突破传统均匀格网局限
  • 采用四叉树全局划分结合k-d树局部优化,实现效率与质量的平衡
  • 开发了支持变尺寸瓦片的MBR和Geohash复合索引结构
  • 在多个典型城市数据集上验证了方法的有效性和优越性

未来研究方向

实时更新优化

探索变尺寸瓦片与实时切片、动态缓存的结合,提升地图更新效率,降低增量更新的复杂度

索引体系优化

继续优化瓦片索引体系,增强其扩展性和普适性,提高地理信息服务的整体效能

三维扩展应用

将方法扩展到三维空间数据管理,支持大规模三维点云和城市模型的高效可视化

智能化增强

结合机器学习技术,实现瓦片划分参数的自适应优化和智能预测