瓦片地图是什么鬼

Posted 2022-04-16 田攀

瓦片地图的诞生

 地图数据通常体量较大，需要充足的带宽和数据渲染能力。瓦片地图诞生以前，地图多在局域网的桌面软件中使用。互联网的发展，催生了通过浏览器使用地图的需求，于是在1999年，出现了WMS（Web Map Service）这样的解决方案。在浏览器这一端，没有地图的概念，但浏览器天生就是为了显示文本和图片。WMS的设计是，在服务器端把地图渲染成图片，浏览器端显示地图图片。地图图片大小根据浏览器视窗大小来定。

WMS大大推进了互联网地图的进程。 问题是，WMS根据浏览器视窗大小每次生成一大张图片，对于后端渲染和网络传输都是挑战，效率低下。紧接着就有了WMS-C（Cached）的思想，通过缓存地图瓦片提高效率。在工程实践方面更胜一筹的Google成为这一思想的最佳实践者。2005年，Google地图上线，通过高效的瓦片地图技术，让全球用户轻而易举的享受到了地图的福利。

 

Google地图采用的Web Mecator投影和瓦片分级切割方案，也成为目前互联网地图事实上的标准。紧接着，Google地图又新增了路网服务、实时路况、街景地图和Google地球，互联网地图的蓬勃发展就此开始。

 

瓦片地图的原理

使用互联网地图时，我们看到的是一张铺满整个屏幕的大的地图图片。实际上，这张大的图片是多个尺寸相同（通常是256*256像素）的小图片按照既定规则无缝拼接而成的，这些小图片就是瓦片。瓦片按照如下图所示的金字塔结构组织，每张瓦片都可通过级别、行列号唯一标记。在平移地图、缩放地图时，浏览器根据金字塔规则，计算出所需的瓦片，从瓦片服务器获取并拼接。

 

由于瓦片是静态的图片，可预先生成，通过缓存和CDN技术，瓦片服务器可提供高效的瓦片读取服务。此外，浏览器并行获取和显示多张小图片，比获取和显示一张大图片要高效的多。显示地图变成和显示图片一样简单，这也是互联网地图能够承载亿级规模用户的原因。

 

瓦片地图金字塔模型

瓦片地图金字塔模型是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。首先确定地图服务平台所要提供的缩放级别的数量N，把缩放级别最高、地图比例尺最大的地图图片作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，从地图图片的左上角开始，从左至右、从上到下进行切割，分割成相同大小(比如256x256像素)的正方形地图瓦片，形成第0层瓦片矩阵;在第0层地图图片的基础上，按每2x2像素合成为一个像素的方法生成第1层地图图片，并对其进行分块，分割成与下一层相同大小的正方形地图瓦片，形成第1层瓦片矩阵;采用同样的方法生成第2层瓦片矩阵;…;如此下去，直到第N一1层，构成整个瓦片金字塔。

首先用（如ArcGIS软件等）对地图数据进行处理，配成需要的图层方案，并保存方案。

再用软件自带功能进行切片，切片过程中选择切片方案，根据所选方案不同，例如金字塔级别不同，地图切片范围不同等，都会影响到切片的速度。切片之后的数据称为瓦片。

 

瓦片地图的进化

以图片为介质的瓦片（栅格瓦片）打开了互联网地图的大门，互联网地图得以迅速普及。但是，随着地图的移动化和应用的逐渐深入，栅格瓦片至少遇到了两个问题：

• 图片占用带宽和存储都较大，不利于地图在移动设备的应用；

• 图片无法交互。

受网络带宽开销和存储空间的限制，栅格瓦片地图在移动端一开始就显现出先天不足。这促使在移动端，使用矢量瓦片替代栅格瓦片。矢量瓦片采用和栅格瓦片相同的分级切割方案，所不同的是，瓦片数据以矢量形式存在。矢量瓦片体积小，可高度压缩，占用的存储空间比栅格瓦片要小上千倍。一方面减小网络带宽消耗，另一方面使地图离线成为可能。

 

目前，在浏览器端，矢量瓦片也在逐渐成为互联网地图的主流技术。但这并不是说栅格瓦片将退出历史舞台。 互联网地图数据更新不频繁，单个瓦片内需要显示的地物数量和种类有限，矢量瓦片可预先生成，进行局部更新的代价也很小。矢量瓦片并不适合数据更新频繁，数据量大，渲染方式复杂多样的场景。

 

可交互的栅格瓦片

在GeoHey数据可视化服务中，就是根据输入配置参数，把用户数据在服务器端渲染成图片。在很多应用场景中，需要查看空间数据的属性信息。由于栅格瓦片无法保留数据的空间特征，瓦片中的点、线、面失去了交互能力。那么，如何显示百万量级的地块数据，又能让地块具有交互能力呢？

[鼠标在地图上随意移动即可 全屏体验]

在本周更新中，GeoHey数据可视化服务，增加了UTF-Grid能力，用以为栅格瓦片提供交互能力。 

多任务切图原理

随着测绘技术的发展，地图数据的体量越来越大，一般情况下，电子地图生成地图瓦片（以下简称切图）少则需要几天，多则一个月乃至更长时间。如何才能高效地生成地图瓦片，是众多技术人员共同关心的问题。

多任务切图是将地图切图任务拆分成多个子任务，同时开启多个进程，每个进程自动领取并执行切图子任务。切图结果支持保存为本地瓦片，也支持保存到MongoDB数据库。多任务切图支持在一台计算机上开启多个进程执行切图任务，也支持在多个计算机分别开启多个进程，获取子任务执行切图任务。

 

在线地图及参数

以Arcgis online上的瓦片地图为例，服务中有几个比较关键的使用到的参数。

Height、Weight：每个瓦片的宽度和高度

Resolution：每一个缩放级别下1像素代表的地图单位（投影坐标）

Initial Extent：瓦片地图的范围