地图瓦片整体介绍

Posted 2023-05-11

参考技术A 如今互联网地图的地图内容分为两种，一种是栅格地图瓦片，一种是矢量地图瓦片。

栅格地图瓦片是一种比较传统的模式，将矢量数据渲染成为256×256像素大小的图片。前端js地图框架，如 openlayer 和 leaflet ，按一定规则编排显示，如百度地图，高德地图，天地图等。栅格瓦片地图的渲染技术已经成熟，可以实现栅格渲染，矢量渲染两种。参考笔记 mapnik 笔记一: 入门及python接口使用 。

矢量地图瓦片是一种新颖的模式。地图数据会以json等格式分块地传输过去，在浏览器端利用前端框架将地图在显示出来。在这个基础上，你必须懂得 canvas 。整个展示的过程对点线面的渲染有很严格的规定。总体来说，矢量瓦片的数据传输量少，服务器压力小。方便渲染成为各种各样的地图，所以这也是为什么Mapbox首推Mapbox GL的原因，腾讯地图使用矢量渲染的原因。而且现在移动端不断利用矢量瓦片的技术，考虑到导航时候，需要将地图旋转成为伪3D界面。

矢量地图瓦片是未来的发展方向。Mapbox在这方面做了很多功夫，可以参看 它的github 。有什么问题，大家可以留言讨论，因为我也不太清楚，新技术的可行性。

WebGIS中的坐标系和瓦片地图

参考技术A

本文主要介绍坐标系和瓦片地图的相关知识， 他们是进行WebGIS开发的基础。

坐标系分为地理坐标系和投影坐标系，他们的定义如下：
地理坐标系 （Geographic Coordinate System）：
    是使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。

投影坐标系 （Projection Coordinate System）：
    是使用基于X,Y值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置。它由地理坐标系和投影方法两个要素所决定。

    地球表面是崎岖不平的，人们为了精确表示地球表面的位置，引入了 旋转椭球体 的概念。即用一个规则的旋转椭球体去逼近真实的地球表面。一个旋转椭球体的参数主要有以下三个:长半轴、短半轴、扁率。定义了这三个参数，也就唯一确定了一个旋转椭球体。

    定义了椭球体的形状后，还需要确定椭球体的位置。椭球体表面与真实地球表面存在差异，并且在世界的不同地区，这种差异也不尽相同。因此椭球体的定位直接决定了地理坐标与真实位置的误差。椭球体定位就是需要确定 大地基准面 ，从而确定椭球体与地球的相对位置。有以下两类大地基准面：

    确定了旋转椭球体的 形状 和 位置 ，那么地理坐标系的基础就确定了。接下来需要定义地球上任意一点的地理坐标表示方法。

    地理坐标，就是用经纬度表示地面点位的球面坐标。在大地测量学中，对于地理坐标系统中的经纬度有三种提法：天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。其中使用较多的是大地经纬度，其使用大地坐标（L,B,h）表示地面点在椭球面上的位置三个要素，他们的定义如下：

图示：

    这样就完成了地理坐标系的定义，地球上任意一点都能获得经纬度坐标了。

    在椭球面上表示的地球上物体的坐标，会给实际使用带来一些麻烦。更多的时候我们希望将地物展现在平面上，这时就需要引入投影坐标系的概念。

    在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，称为 地图投影 。
    地图投影的一般公式为：x = F(λ，φ), y = G(λ，φ)
    确定了投影方法后，也就确定了函数F和G，只要知道地面点的经纬度（λ，φ），便可以在投影平面上找到相对应的平面位置（x，y）。

投影方法有以下几类：

    以上两种方法都要进行分带投影。即按一定的间隔选取经线作为投影的中央经线，中央经线两侧一定范围内的地区按所选中央经线进行投影。这样做的目的是减小投影变形，方便在工程中使用。

具体的投影方法请点击小标题查看。

    选择一个地理坐标系，以及一个地图投影方法，就唯一确定了一个投影坐标系，从而可以使用平面坐标表示地球上物体的位置了。

    在Web地图领域，使用最为广泛的坐标系统就是 WGS84 Web Mercator 。谷歌地图、Virtual Earth、Bing Maps、百度地图、Mapabc、ArcGIS Online等都是采用这种坐标系。作为一个投影坐标系，需要两个基本的要素，一个是地理坐标系，还有一个是投影方法。我们分别来看：

    从名字可以看出，WGS84 Web Mercator坐标系采用的地理坐标系是WGS84坐标系，它属于地心坐标系，坐标系的原点位于地球质心，其基本参数如下：

    从名字上可以看出，WGS84 Web Mercator坐标系的投影方法和Mercator（墨卡托）投影有关，但是这个投影方法和不是标准的墨卡托投影。他们之间的区别在于，WGS84 Web Mercator在投影时将地球椭球当做圆球看待，这会导致本来是等角投影的墨卡托投影变得不再等角了，而是近似等角，也就是出现角度变形。

    以赤道为标准纬线，以本初子午线为中央经线，分别得到X轴和Y轴。两者的交点设为原点，规定纬度向北为正，向南为负；经度向东为正，向西为负。

对应于经纬度的范围就是：

    讨论坐标系不得不提到EPSG，EPSG的英文全称是European Petroleum Survey Group，中文名称为欧洲石油调查组织。这个组织成立于1986年，2005年并入IOGP(International Association of Oil & Gas Producers)，中文名称为国际油气生产者协会。EPSG对几乎所有常用的坐标系统都进行了编号，统一了坐标系的表示，于是我们经常会看到使用EPSG编号来指代某一坐标系。

以下是几个常用坐标系的EPSG编号和单位：

    至于为何WGS84 Web Mercator有两个编号，这里面还是有一段故事的，可以去 这里 查看。

    查询全部的EPSG编号和详细信息请访问 EPSG官网 。

    互联网地图服务，常常通过采用构建瓦片地图的方式，加快用户的访问，减少数据传输量。具体而言，瓦片地图就是对投影后的地图在不同尺度（层）下进行切片，每个尺度得到的地图切片数量不同、表示范围不同、详细程度不同，但是图片的尺寸相同（一般为256*256），最终构成一个“瓦片金字塔“”。根据用户所浏览的区域范围，自动确定所要返回的切片层级，在满足用户查询需求的同时，保证了地图传输的效率。

    在投影坐标系的选择上，目前主流的地图服务提供商基本都选择的是WGS84 Web Mercator坐标系。但是在如何对投影后的地图进行切片并编号时，不同厂商之间存在较大的差异。

    以地图左上角为原点，X轴向右，Y轴向下，从0开始分别进行编号。Z的取值范围为[0, 18]，在第z级别，x,y方向的瓦片个数均为：2 z 个，即x,y取值范围是[0 , 2 z -1]。

    WMTS较为特殊，WMTS中的TileMatrix对应于z，TileRow对应于y，TileCol对应于x。编号方式和谷歌与OSM相同。

    以地图左下角为原点，X轴向右，Y轴向上，从0开始分别进行编号。Z的编码规则与谷歌地图相同。

z=1时，这两种瓦片的编号如下图所示。

    微软Bing地图Z的编码规则与谷歌相同，同一层级的瓦片不用XY两个维度表示，而只用一个整数表示，该整数服从四叉树编码规则（QuadTree）。

    百度地图的瓦片定义的方式比较独特，原点的位置在经纬度都为0的地方，X向左为正，向右为负；Y向上为正，向下为负。切分的方式不像上述3种方法在每一级进行二等分，而是通过定义每一级的 地图分辨率 ，确定每一级应该划分的行列数。地图分辨率的表达式为：2 18-z ，其含义是每个像素所对应的实际长度。由此，可得每一级应该划分的行列数为：2πR/(256*2 18-z )，其中R为地球的半径，单位是米。

参考： https://blog.csdn.net/lxxlxx888/article/details/51897838

    本文记录了与WebGIS相关的坐标系和瓦片地图的知识，说明了他们直接的相互关系。希望WebGIS开发者有所帮助。