Google Map向公众供免费网络地图服务，方便群众生活出行，同时提供方便、易掌握的API开发包，用于用户调用地图服务与自身应用相整合，实现应用程序开发[1][2]。但是应用的前提条件是计算机必须联网，对于一些上网不方便的用户来说，想结合Google Map地图服务做专题应用就变得困难了。针对上述情况，本文深入分析研究了Google Map瓦片组织结构，并使用QT图形界面库结合C++开发语言，实现对Google Map地图瓦片进行离线加载，展示地图服务，为非联网状态下使用Google Map地图服务提供一条解决方案。
1 Google Map瓦片分析
1.1 地图投影
Google Map使用的是EPSG:900913标准的墨卡托投影，即为等角圆柱地图投影[3]。墨卡托投影的"等角"特性，保证了对象的形状的不变行；投影的"圆柱"特性，保证了南北（纬线）和东西（经线）都是平行直线，并且相互垂直。但是投影南北两极的变形比较严重，所以将两极85度以上的部分切除，形成东西和南北相等的正方形，便于之后进行四叉树计算。根据墨卡托投影的公式，将地球投影到一个边长为地球周长的正方形区域，可以反算出维度的范围是±85.05113度，经度范围为±180度。
1.2 瓦片组织
Google Map是由分辨率大小为256*256的图片无缝拼接而成的，这些图片称为瓦片，并且从地图左上角开始编号。在初始等级时，整个地球只投影在一张256*256的图片上，往后每增加一级，瓦片会根据四叉树结构分割图片。级别为N的时候，整个地球被分为2N*2N张瓦片，瓦片索引号从(0,0)到(2N -1, 2N -1) (如图1)。
图1
瓦片级别确定后，整个地球切片对应的瓦片数量即确定，地球被划分的像素数量也随之确定。因此，地球的经纬度坐标和投影后的像素坐标存在对应关系。
1.3 坐标系
大地坐标和投影坐标
Google Map的大地坐标系是WGS84，用经纬度表示整个世界范围，称为大地坐标。经过墨卡托投影后形成以米为单位的投影坐标。如果地球半径取6378137米，那么投影坐标系的最大边界值为±20037508.342789米。[4]
瓦片坐标
坐标系的原点位于投影坐标系左上角，东西方向为横轴，南北方向为纵轴。瓦片(0,0)图片的左上角对应经纬度(-180,85.05113)。这样，大地坐标和瓦片坐标之间存在转换关系。比如Google Map在缩放级别_curTileLevel时，通过经纬度计算Google Map瓦片坐标的公式如下，
int getXByLongitude(double lon)
{
int z = _curTileLevel;
return (int)(((lon + 180) / 360.0) * pow(2.0,z));
}
int getYByLatitude(double lat)
{
int z = _curTileLevel;
double sinLat = sin(PI * lat / 180);
double y = 0.5 - log((1.0 + sinLat) / (1.0 - sinLat))/(4.0 * PI);
return (int)(y * pow(2.0,z));
}
像素坐标
和瓦片坐标系定义一致，像素坐标系的原点位于投影坐标系左上角，东西方向为横轴，南北方向为纵轴。每个地图瓦片是一个正方形图片，并且图片大小固定，都是256×256像素。所以，大地坐标和像素坐标也存在对应关系，比如Google Map在缩放级别_curTileLevel上，整个地球将被一个(256*2_curTileLevel,256*2_curTileLevel)像素坐标系表示。大地坐标与像素坐标对应关系如下：
double getPixelXByLogitude(double lon)
{
return (lon + 180) * (256 << _curTileLevel) / 360;
}
double getPixelYByLatitude(double lat)
{
double siny = sin(lat * PI / 180);
double y = log((1 + siny) / (1 - siny));
return (1.0 - y / (2 * PI))*((256/2) << _curTileLevel) ;
}
double getLogitudeByPixelX(double pixelx)
{
return (pixelx * 360) / (double)(256 << _curTileLevel) - 180;
}
double getLatitudeByPixelY(double pixely)
{
double y = (1.0 - (double)pixely/((256/2) << _curTileLevel)) * 2 * PI;
double siny = (exp(y) -1) / (exp(y) + 1);
return asin(siny) * 180 / PI;
}
窗口坐标
QT图形库窗口坐标系以窗口左上角为坐标原点，水平方向为X轴，向右为正，竖直方向为Y轴，向下为正。窗口坐标和像素坐标是一致的。
2 Google Map离线加载
2.1 瓦片加载
由于QT窗口坐标和Google Map像素坐标是一致的，所以可以将地图的大地坐标和窗口坐标建立对应关系。
QT图形界面库对于图片的操作主要涉及到QGraphicsView、QGraphicsScene、QGraphicsItem三项。QGraphicsView作为窗口类，负责显示图片；QGraphicsScene类负责管理维护QGraphicsItem对象，相当于视图管理器，只能依附于QGraphicsView窗体进行图片显示。[5]
当然，QGraphicsScene自身也具有坐标系统，抛开QT，在此处我们理解为1.3中所述的窗口坐标。Google Map的每一张瓦片都可以用一个QGraphicsItem对象进行表示，加入到QGraphicsScene场景中在QGraphicsView窗体上进行显示。当然，由于显示窗口大小有限，而每张瓦片的大小都是256x256，所以，需要初始化的QGraphicsItem对象的个数可以计算出来的。当瓦片内容需要更新的时候，只需要更新相应QGraphicsItem对象所显示的图片即可。这样做的好处是，显示需要显示的瓦片，而那些在视口范围之外瓦片则不需要显示。
图2
各类之间以及作用如图2所示。当需要进行移动地图操作时，需要更改QgraphicsView的显示位置(QT帮助文档上都有对应函数)，每副瓦片的坐标位置也要更改。这时需要注意，瓦片位置改变了，其加载的瓦片也就改变了，可以通过坐标关系计算得到。
2.2 运行结果
图3为对临沂市Google Map离线加载后的结果，实现了地图浏览基本操作，包括缩放、漫游、矢量影像地图的切换等。谷歌地图将影像和影像注记分别切片，所以，需要分别对瓦片数据进行加载显示。由于只有视口范围中的图片被加载显示，因此，加载速度很快，显示流畅。
图3 运行结果
3 结束语
本文对Google Map组织结构进行研究，得到屏幕窗口坐标系和Google Map坐标系的转化公式。提出Google Map地图离线加载的设计思路，并实现了Google Map地图的离线加载功能，为非联网机器使用Google Map地图服务提供了一套解决方案。在此基础上，通过进一步开发可以方便的实现地图定位等相关功能，辅助需要地图支持的专题应用系统的开发和应用，而如何与相关应用进行结合，是本文需要进一步研究的地方。
参考文献
[1] Google Maps运行机制以及应用研究. 巫细波,胡伟平.
[2] 基于Google Maps API的地图解析研究与实现[J].游兰,彭庆喜.湖北大学学报(自然科学版).2010(02).
[3] 高皓亮.基于GoogleMap的空间数据整合技术.中国科技论文在线.
[4] 张业舟,黄兴. GoogleMaps瓦片组织分析和应用研究. 测绘时空.
[5] Jasmin Blanchette,Mark Summerfield. C++ GUI QT 4编程(第二版). 电子工业出版社.
作者：李涛 皮青山 山东省临沂市国土资源局测绘院
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