面向嵌入式
gis的資料組織模型與訪問機制
陳玉進李泉
（南京跬步科技****，江蘇
南京210008 ）
摘
要：地圖顯示效率，一直是嵌入式
gis系統的核心問題。一方面，嵌入式系統處理器效能低、記憶體容量小；另一方面，
gis資料量大、計算複雜。針對這一對突出的矛盾，本文提出了一種新的
gis資料組織模型與訪問機制，在
i/o階段，從邏輯和物理兩個層面最大限度地減少對冗餘資料的讀取和處理，保障地圖的快速顯示。
：嵌入式
gis、縱向分級、網格索引、
hilbert
排序、快取
中圖分類號：
tp311
1
引言
隨著嵌入式軟硬體技術的不斷發展，
gis執行平台也從
pc擴充套件到了嵌入式裝置，尤其是智慧型手機的普及，為嵌入式
gis在各行業的應用提供了條件。但是，
gis資料量大、計算複雜，給地圖快速顯示帶來很大的壓力，因此，在滿足需求的情況下，考慮用軟體方法提高資料檢索的效率、減少冗餘資料的讀取和處理，提高必要資料的處理能力。本文主要從
gis資料的組織模型、儲存和讀取層面來闡述。
2
嵌入式gis
資料組織模型
2.1
縱向分級顯示
gis資料按類別或等級不同分成不同的圖層，這些圖層疊加在一起形成一幅層次和內容豐富的地圖。而嵌入式裝置螢幕通常都比較小，能顯示的地圖內容和範圍有限，在同一螢幕上，顯示內容過多會造成圖元擁擠不堪，不但影響使用者讀圖的效果，而且使用者等待時間過長，給系統造成很大的負擔，因為，顯示內容過多，
i/o讀取次數增加，記憶體占用多，地圖座標到螢幕座標轉換的計算量增大，螢幕渲染的壓力也很大。鑑於此，地圖需要按可視範圍大小分級顯示，即視窗範圍大，只顯示概要圖層，隨著地圖放大，視窗範圍縮小，一些細節層次的圖層逐步被顯示出來。這樣，需要對地圖圖層按顯示級別進行分組，屬於同一縮放級別的歸為一組，不同縮放級別的歸為另外一組。具體實現就是，給每個顯示級別設定最大最小顯示比例尺範圍
max_zoom
和min_zoom
，當當前顯示比例尺符合條件
max_zoom>win_zoom>min_zoom
時，該級別對應的圖層組被顯示，顯示比例尺
=當前可視範圍實際寬度÷視窗寬度，當使用者不斷放大視窗顯示地圖時，顯示比例尺不斷縮小，以至於能夠顯示比較詳細的顯示級別圖層組。
2.2
橫向分塊索引
嵌入式裝置螢幕小，通常只顯示地圖上的一小塊區域，螢幕之外的地圖資料不參與顯示，也就沒有必要讀入記憶體參與計算。這就涉及到從地圖資料集合中，快速地選擇出當前螢幕參與顯示的資料子集。為此，需要對地圖資料建立空間索引，空間索引資料常駐記憶體，通過空間索引獲得地圖資料的檔案位址，再實際
i/o讀取所需要的地圖資料。目前空間索引種模擬較多，各有優缺點，實驗結果表明，面向查詢，網格索引效率最高，將整個圖幅範圍按網格進行劃分，對跨網格的線、面事先依網格裁減，裁減後生成的多個子圖元，分別儲存到不同的網格索引單元裡；由於線、面圖形的不規則，其他索引都在不同程度上存在冗餘資料的讀取和處理，降低了整個地圖顯示的效率。排程的時候，物理上，非併發的一次
i/o操作，只涉及到乙個物理儲存塊；邏輯上，以乙個網格索引裡的資料為單位來排程。所以，理論上，邏輯層排程的單位資料量等於乙個物理儲存塊的大小，效率達到最高，但通常無法做到，控制好邏輯層
i/o資料讀取的粒度，能保證較好的效率，這個引數需要針對不同資料進行測試。
2.3
資料組織模型
基於縱向上分級、橫向上分塊的策略，從邏輯層面上減少冗餘資料的讀取，為此，本文提出了一種新的資料組織模型——「多圖層共存同一邏輯檔案、同一顯示級別的多圖層共存同一網格、乙個顯示級別對應乙個網格索引」。
「多圖層共存同一邏輯檔案」——原本乙個圖層乙個檔案，現在若干個圖層合併到一起形成乙個檔案，這樣避免了顯示圖層過多帶來的多次訪問不同檔案、造成
i/o次數增多的弊端，使得顯示效率與圖層數量無關。
「同一顯示級別的多圖層共存同一網格」——縱向上，同一顯示級別的多圖層資料要一起被顯示，橫向上，同一網格裡的資料也是一起被顯示，因此，把同一顯示級別的多圖層資料組織到乙個網格下，且邏輯上進行分圖層組織。
「乙個顯示級別對應乙個網格索引」——以往乙個圖層乙個索引，現在乙個顯示級別乙個索引，首先判斷某個級別是否需要顯示，如果需要，則檢索此級別對應的網格索引，把處於當前視窗內的這一顯示級別的資料檢索出來，予以顯示。
3
嵌入式gis
資料檔案儲存
嵌入式gis資料組織模型，是從邏輯層面闡述了減少資料讀取和處理的規模、提高檢索有效資料的效率，但不能最終保證資料讀取效能，因為這個與資料檔案儲存方式有關。
i/o操作的單元是乙個物理儲存塊，較大概率一起被讀取的資料應盡量聚簇儲存，以提高一次
i/o操作獲取有效資料的能力，如果資料檔案記錄儲存無規律，或違背聚簇儲存的原則，勢必會增加
i/o操作的次數，讀取過多的冗餘資料，降低整個系統的效能。基於此，需要分析地圖資料聚簇的規律，並能實現資料聚簇儲存。
同一顯示級別的地圖資料，是按網格索引組織的，網格裡儲存了屬於同一顯示級別、位於同一空間網格的多圖層資料，網格之間按什麼順序來儲存？空間資料一起被顯示讀取的概率是資料之間空間距離的反函式，也就是說，距離近的地圖資料之間被一起顯示讀取的概率大於之間距離遠的，所以，這就要求網格索引中網格單元之間的儲存順序要遵循鄰近原則：靠得近的網格要臨近儲存。但是，網格索引是二維的，儲存器是一維的，需要把二維的網格按照鄰近原則對映到一維，且保持鄰近關係。
二維到一維的對映，不能完全保持空間鄰近關係。
hilbert
填充曲線，是一種比較好的二維到一維的對映排序方法，實現了網格陣列座標到一維排序序號的對映
n=f(x,y)
，通過這個對映函式，就可以確定網格單元在一維排序中的位置，且盡量照顧到了鄰近原則。
hilbert
填充曲線對映演算法，採用陳寧濤等所提出的迭代演算法，把「形」的問題轉化為具有「數」特徵的矩陣問題，因而可以轉化為矩陣運算，通過複製旋轉快速生成網格的編碼。
按hilbert
對映排序，實現了空間資料的聚簇儲存，從檔案物理儲存層面提高了
i/o效能。
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