mapboxgl 互联网地图纠偏插件(二)

GIS兵器库

前段时间写的mapboxgl 互联网地图纠偏插件(一)存在地图旋转时瓦片错位的问题。

这次没有再跟 mapboxgl 的变换矩阵较劲,而是另辟蹊径使用 mapboxgl 的自定义图层,重新写了一套加载瓦片的方法来实现地图纠偏。

下面把我这次打怪升级的心路历程分享一下,或许对你也有启发。

文中涉及一些 webgl 的知识细节,没有接触过 webgl 的同学,可以参考看上一次给大家推荐的电子书 《WebGL编程指南》,这次再附上一个包含书中所有示例的 github 库,会很有帮助。

书接上回

在研究偏移矩阵问题一筹莫展时,发现用天地图的栅格瓦片没有偏移的问题,因为天地图是大地2000坐标,可以直接在 wgs84 坐标地图上使用,基本没有误差。

尝试后觉得,可以倒是可以,但就是配色有点丑,可以先作为一个保底方案,高德瓦片的纠偏还要继续研究。

话说《WebGL编程指南》这本书看完后,一直想写个读书笔记,但又觉得光写笔记太枯燥,就想着结合地图看能干点啥。

mapboxgl 通过自定图层接口支持 webgl 的扩展,这个接口的好处是,对复杂的变换矩阵进行了封装,对外使用大家熟悉的 web 墨卡托坐标,并提供了经纬度坐标和 web墨卡托坐标转换的接口 。

查看 mapboxgl 的官方示例时,突然来了灵感,可以用这个接口自己写个加载栅格瓦片的程序,这样就能绕开 mapboxgl 复杂的框架,更容易实现对瓦片纠偏,出现问题也更好解决,对整体更有掌控感。

技术路线分析:

用这个思路来实现纠偏,要搞定两大问题,一个是如何用 webgl 实现显示瓦片的功能,另一个是如何计算瓦片在屏幕上的显示位置。

如何用 webgl 显示瓦片

在 webgl 中,图形的基础是三角形,要绘制正方形的瓦片,需要用两个三角形拼成一个正方形,再把图片贴到这个正方形上,就能实现地图瓦片的显示。这个过程中,图片被称为纹理,贴图被称为纹理贴图。实现效果如下(图片位置是随便写的):

这里有两点要注意:

1、要注意图片的跨域问题,需要通过设置图片的跨域属性来解决。

2、要注意顶点坐标的顺序,正确的顺序为:左上、左下、右上、右下,不然图片会像穿衣服一样,各种穿反,前后反,左右反

核心代码如下:

    var picLoad = false;
    var tileLayer = {
        id: 'tileLayer',
        type: 'custom',

        //添加图层时调用
        onAdd: function (map, gl) {
            var vertexSource = "" +
                "uniform mat4 u_matrix;" +
                "attribute vec2 a_pos;" +
                "attribute vec2 a_TextCoord;" +
                "varying vec2 v_TextCoord;" +
                "void main() {" +
                "   gl_Position = u_matrix * vec4(a_pos, 0.0, 1.0);" +
                "   v_TextCoord = a_TextCoord;" +
                "}";

            var fragmentSource = "" +
                "precision mediump float;" +
                "uniform sampler2D u_Sampler; " +
                "varying vec2 v_TextCoord; " +
                "void main() {" +
                "    gl_FragColor = texture2D(u_Sampler, v_TextCoord);" +
                "}";

            //初始化顶点着色器
            var vertexShader = gl.createShader(gl.VERTEX_SHADER);
            gl.shaderSource(vertexShader, vertexSource);
            gl.compileShader(vertexShader);
            //初始化片元着色器
            var fragmentShader = gl.createShader(gl.FRAGMENT_SHADER);
            gl.shaderSource(fragmentShader, fragmentSource);
            gl.compileShader(fragmentShader);
            //初始化着色器程序
            var program = this.program = gl.createProgram();
            gl.attachShader(this.program, vertexShader);
            gl.attachShader(this.program, fragmentShader);
            gl.linkProgram(this.program);

            
            //获取顶点位置变量
            var a_Pos = gl.getAttribLocation(this.program, "a_pos");
            var a_TextCoord = gl.getAttribLocation(this.program, 'a_TextCoord');
            //设置图形顶点坐标
            var leftTop = mapboxgl.MercatorCoordinate.fromLngLat({lng: 110,lat: 40});
            var rightTop = mapboxgl.MercatorCoordinate.fromLngLat({lng: 120,lat: 40});
            var leftBottom = mapboxgl.MercatorCoordinate.fromLngLat({lng: 110,lat: 30});
            var rightBottom = mapboxgl.MercatorCoordinate.fromLngLat({lng: 120,lat: 30});
            //顶点坐标放入webgl缓冲区中
            var attrData = new Float32Array([
                leftTop.x, leftTop.y, 0.0, 1.0,
                leftBottom.x, leftBottom.y, 0.0, 0.0,
                rightTop.x, rightTop.y, 1.0, 1.0,
                rightBottom.x, rightBottom.y, 1.0, 0.0
            ])
            var FSIZE = attrData.BYTES_PER_ELEMENT;
            this.buffer = gl.createBuffer();
            gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, this.buffer);
            gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, attrData, gl.STATIC_DRAW);
            //设置从缓冲区获取顶点数据的规则
            gl.vertexAttribPointer(a_Pos, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, 0);
            gl.vertexAttribPointer(a_TextCoord, 2, gl.FLOAT, false, FSIZE * 4, FSIZE * 2);
            //激活顶点数据缓冲区
            gl.enableVertexAttribArray(a_Pos);
            gl.enableVertexAttribArray(a_TextCoord);

            var _this = this;
            var img = this.img = new Image();
            img.onload = () => {
                 // 创建纹理对象
                 _this.texture = gl.createTexture();
                //向target绑定纹理对象
                gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, _this.texture);
                //对纹理进行Y轴反转
                gl.pixelStorei(gl.UNPACK_FLIP_Y_WEBGL, 1);
                //配置纹理图像
                gl.texImage2D(gl.TEXTURE_2D, 0, gl.RGB, gl.RGB, gl.UNSIGNED_BYTE, this.img);

                picLoad = true;
            };
            img.crossOrigin = true;    //设置允许跨域
            img.src = "http://webrd02.is.autonavi.com/appmaptile?lang=zh_cn&size=1&scale=1&style=8&x=843&y=386&z=10";
        },

        //渲染,地图界面变化时会调用这个方法,会调用若干次(变化时的每一帧都调用)
        render: function (gl, matrix) {
            if(picLoad){
                //应用着色程序
                //必须写到这里,不能写到onAdd中,不然gl中的着色程序可能不是上面写的,会导致下面的变量获取不到
                gl.useProgram(this.program);

                //向target绑定纹理对象
                gl.bindTexture(gl.TEXTURE_2D, this.texture);
                //开启0号纹理单元
                gl.activeTexture(gl.TEXTURE0);
                //配置纹理参数
                gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_MIN_FILTER, gl.LINEAR);
                gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_S, gl.CLAMP_TO_EDGE);
                gl.texParameteri(gl.TEXTURE_2D, gl.TEXTURE_WRAP_T, gl.MIRRORED_REPEAT);
                // 获取纹理的存储位置
                var u_Sampler = gl.getUniformLocation(this.program, 'u_Sampler');
                //将0号纹理传递给着色器
                gl.uniform1i(u_Sampler, 0);                

                //给位置变换矩阵赋值
                gl.uniformMatrix4fv(gl.getUniformLocation(this.program, "u_matrix"), false, matrix);
                //绘制图形
                gl.drawArrays(gl.TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
            }            
        }
    };

    map.on('load', function () {
        map.addLayer(tileLayer);
    });

上面是加载一个瓦片,下面看一下如何加载多个瓦片,这个问题看似简单,但对于webgl不熟悉的同学有可能会走弯路,我自己在研究时,就遇到了下面几个问题:

第一个问题:

自定义图层必须要有onAdd方法和render方法,onadd方法在加载图层时会被调用一次,render方法在地图平移、缩放、旋转时会被调用若干次,来实现平滑过渡的效果。

那么问题来了,哪些 webgl 代码应该放在onadd中,哪些应该放在render中?

下面是 webglfundamentals 网站给出的解释,在这里,onadd方法就是初始化阶段,render方法就是渲染阶段。

第二个问题:

顶点坐标是一个瓦片用一个缓冲区,还是所有坐标都放在一个缓冲区中,然后定义规则来取?

答案是,一个瓦片就是一个独立的图形,一个图形对应一套自己的顶点坐标,坐标后面可以跟渲染相关的属性,如颜色、纹理坐标等,但多个图形的顶点坐标不能放在一起,放一起会被绘制为一个图形。多个图形应该使用多个缓冲区对象分别存储自己的顶点坐标。

第三个问题:

如何使用多个缓冲区?

webgl 是面向过程式的,平时用惯了面向对象的开发语言,刚接触这个时有点不适应,后来就慢慢熟悉了。

我们可以把 webgl 的想象成一台老式的机械印刷机,它根据模板印刷,一次只能只使用一个模板,如果想要印刷出多个不同的图案,就需要准备多个不同图案的模板,然后在印刷时不断的更换模板。

webgl 中的着色器、缓冲区对象、纹理对象三者的组合就像是这个模板 ,模板和它们都包含了绘制图形的参数。更换模板,就是在更换着色器、缓冲区对象和纹理对象,不同的是,相比印刷机,电脑中切换这些只是一瞬间的事情,时间可以忽略不计。

webgl 在实际工作时就是像上面的印刷机一样在不停的更换模板然后印刷,再更换模板再印刷,直到全部图像绘制完成,整个过程也是一瞬间的事情。

在 webgl 中,”印刷的机器“只有一个,但“模板”你可以创建很多,它的上限取决于你的电脑性能。

我们要做的就是为每一个瓦片创建一个“模板”,然后在绘制时动态切换这些“模板”。

上面三个问题搞明白以后,我成功的加载了2个瓦片。效果图:

如何计算瓦片在屏幕上的显示位置

核心还是用的上篇文章中提到的经纬度和瓦片编号互转算法

原理是:先获取当前显示范围四个角的经纬度,再根据互转算法计算出四个角对应的瓦片编号,这样就能统计出当前地图范围所有瓦片的瓦片编号。

然后遍历当前范围内的所有瓦片编号。

遍历时,根据互转算法,将遍历到的每个瓦片编号转为瓦片左上角的经纬度,再用它相邻的右方、下方、右下方3个瓦片的左上角经纬度,组成瓦片的4个顶点坐标。

在这一步加入对顶点坐标的纠偏算法,实现对瓦片的纠偏。

最后再去监听地图改变的事件,当地图发生平移、缩放、旋转时都要重复上面的计算,更新瓦片。

这里遇到个问题:纠偏后也出现了上一篇中边缘空白的情况。于是对上面的算法优化了一下,在获取到当前显示范围的四个角经纬度坐标后,对这4个坐标也进行纠偏,这样问题就解决了。

现在瓦片的地图的框架搭起来了,也能够浏览查看瓦片地图了,这一刻还真有点小兴奋的呢

但和最终想要的效果还有些差距,还有很多细节需要优化

细节优化

1、缓存瓦片

把请求过的瓦片放到存到变量中,这样请求过的瓦片可以避免重复请求,显示速度会更快,体验更好。

2、缓存网格经纬度

统一计算瓦片网格的经纬度并缓存起来,以免每次都进行重复计算。

3、瓦片加载的顺序从中间向四周

现在的顺序是从左到右,有种刷屏的感觉,需要对瓦片编号排一下序,让靠近中间的先加载,靠近边缘的后加载。

4、个别瓦片不显示问题

每次地图范围变换时,为了实现平滑的效果render方法会被执行几十次,时间大概在1秒左右,

如果瓦片不能在这期间加载完成,就会被落下,导致不显示。

需要把最后一次执行render方法时的matrix变换矩阵记录下来,在瓦片加载完成后主动调用render方法绘制。

5、影像图注记白底的问题

在加载影像图时,影像和注记是分开的,需要叠加显示,注记层在没有文字的地方是透明的。

但叠加到一起以后注记层在本该是透明的地方却是不透明的白色

原因一,因为在读取纹理像素数据时的配置有问题,要使用gl.RGBA,如果使用的是gl.RGB丢掉了透明度A,就会缺失透明度信息,导致不透明。

原因二,因为在绘制前没有对 webgl 开启阿尔法混合(阿尔法在这里可以理解为透明度),在 webgl 中如果要实现透明效果,这个选项是必须要开启的。

解决后的效果:

6、影像图注记白底的问题还是会偶尔出现

按上一条修改后,白底问题出现的频率明显降低,但偶尔还是会出现。

研究规律,当注记瓦片加载的时间稍长时就会出现,出现后,只要稍稍拖动一下地图就会正常,已经浏览过的区域没有这个问题。

推测,影像和注记是分图层绘制,当个别注记瓦片加载的时间长,去主动调用render方法重新绘制时,注记的图层会全部重绘,但影像图层不会绘制,这可能就导致两个图层无法动态的混合。

目前的解决方法是,对于注记图层如果加载慢了,就不主动调用render方法重新绘制了。因为缺一小块注记不影响大局,而且下一步操作时它也会自动变正常。

地图抖动问题

一些列优化完成后,现在地图也纠偏了,旋转时也不再错位了,本来以为程序已经很完美了,但当我叠上项目真实数据后,发现了一个很要命的问题,自定义图层在大比例尺时会出现抖动的问题。

这个问题最开始就注意到了,但没太在意,以为影响不大,但叠加上业务数据后,发现根本没法用,那种感觉就像是,坐到了行驶在乡间小路的拖拉机上, ~ 颠 ~ 颠 ~ 颠 ~ 颠 ~ 颠 ~ 颠 ~ 颠 ~

起初还以为是瓦片编号和经纬度互转导致的问题,后来发现 mapboxgl 官网的自定义图层示例也有这个问题,看来是 mapboxgl 的 bug 无疑了。

帮 mapboxgl 找问题,最终定位在了render方法的matrix变换矩阵上,这个参数是 mapboxgl 传来的,用于将 web 墨卡托坐标转为 webgl 坐标,并对瓦片进行缩放和旋转。

当只对地图进行微小的平移时,地图会动,matrix矩阵却没有变,matrix矩阵不变,自定义图层也就不会变,当地图平移的范围加大时,matrix矩阵才会跟着变。

翻看 mapboxgl 的源码,自定义图层和底图用的不是一个变换矩阵,所以只有自定义图层有问题。

尝试了 mapboxgl 的最新版本 v2.3.1 也有这个问题。

唉! 本来以为纠偏这事儿要翻篇儿了,这么看来还要再研究一阵子了。

启发、思路、感受

在使用自定义图层的过程中有了一些启发,上篇文章中纠偏写在了变换矩阵中,这种写法在地图旋转时会出现瓦片错位的问题。

本篇文章中纠偏是对a_pos变量 web 墨卡托坐标进行纠偏,在旋转时就没有出现错位的情况。

按这个思路,是不是在上篇文章中,也对a_pos变量纠偏,地图旋转时就不会出现错位问题了?值得一试。

所以,接下来两个思路:一、研究如何提高自定义图层变换矩阵的精度,让它不再抖动。二、研究如何对 mapboxgl 源码中的a_pos变量进行纠偏。

最后说一下使用 mapboxgl 自定义图层的感受,使用 mapboxgl 自定义图层 + webgl 扩展,就感觉打开了GIS世界的另一扇窗户,自己可以去实现各种炫酷高大上的功能了,感觉有了无限可能。

代码、示例

在线示例:http://gisarmory.xyz/blog/index.html?demo=mapboxglMapCorrection2

插件代码:http://gisarmory.xyz/blog/index.html?source=mapboxglMapCorrection2

总结

  1. 这次尝试用 maboxgl 的自定义图层功能,自己写了一个加载互联网瓦片的程序,来实现瓦片纠偏
  2. 自己写加载瓦片的程序要搞定两大问题,一个是如何用 webgl 实现显示瓦片的功能,二个是如何计算瓦片在屏幕上的显示位置
  3. webgl 显示瓦片的原理就是绘制个正方形再给正方形贴图片纹理
  4. 计算瓦片在屏幕上的显示位置,核心是使用瓦片号和经纬度的互转算法,在这个过程中对瓦片进行纠偏
  5. 还要进行一些细节优化,比如瓦片的加载顺序等
  6. 最终实现了对高德瓦片进行纠偏,并且旋转时也不会出现错位的情况
  7. 但这种方式有个问题,mapboxgl 的render方法中传过来的变换矩阵的精度不够,在大比例尺时会出现瓦片抖动的情况,这应该是mapboxgl 的 bug
  8. 在使用自定义图层的过程中有了一些启发,接下来两个思路:一、研究如何提高自定义图层变换矩阵的精度。二、研究如何对mapboxgl 源码中的a_pos变量进行纠偏。
  9. 目前的保底方案是使用天地图的瓦片,高德地图的瓦片还要继续研究。



原文地址:http://gisarmory.xyz/blog/index.html?blog=mapboxglMapCorrection2

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