第5章

切片地图

从本章可以学习到：

v 为什么使用切片地图

v 何时使用地图切片

v 创建与提供切片地图服务的策略

v 使用GeoWebCache创建切片

v 使用TileMill创建切片

如果要提高Web地图的访问速度，使用地图切片是非常有效的方法。地图切片就是在多个比例尺下配置地图，然后提前把每个比例尺下的地图绘制为小块图片，保存在服务器上名为缓存的目录中。这样客户端在访问地图时，可以直接获取需要的小块图片拼接成整幅地图，而不是由服务器动态创建出一幅图片再送到客户端，从而极大提高了访问速度。

本章将介绍地图切片的利弊，以及创建与维护地图缓存的策略。并通过两个实践演示如何在实际工作中创建地图切片。及时个实践演示如何使用GeoServer的GeoWebCache软件来创建一个简单的缓存地图。在第二个实践中，介绍使用TileMill和CartoCSS标记语言创建比GeoServer更好的地图切片。

5.1 为什么使用切片地图

正如在前面内容中所介绍的，最初的Web地图，无论在地图中包含了多少个图层，也无论有多少访问请求，通常都是由服务器动态绘制。这也就是第4章介绍的使用GeoServer与WMS的方式。但是正如大家注意到的，这类地图中符号、标注与注记的选择非常有限而且难以应用。事实上，多年来为了避免妨碍性能，Web制图者不得不使用最少的图层与简单符号来构造地图。许多情况下，在开发Web GIS应用时，甚至不需要专业制图人员的参与，而是由服务器管理员通过XML文件来定义图层顺序和符号大小等。这种情况在开放Web服务规范(如WMS)与商业Web服务(如ESRI的ArcIMS)中都存在。

造成使用这种方法的部分原因是为了使Web GIS应用程序看起来就像桌面系统。有时，这些应用被称为“瑞士军刀应用程序”，因为它们试图使用Web GIS来解决一切问题。人们希望在Web GIS中也能随意切换图层的可见性、重新排序图层、动态更改图层符号，以及其他所有桌面GIS应用程序能做的一切。讽刺的是，当这种心态盛行的时候，网络技术还远远满足不了这类需求。

在2005年前后，随着谷歌地图、微软虚拟地球(现在称为Bing地图)以及其他流行的Web GIS应用的出现，人们开始意识到，也许他们并不需要管理每一个图层所有属性的功能。这些互联网巨头已经开始将矢量图层融合为一张栅格化的图像，这些图像被切分为256像素×256像素的图片及切片。这些图片预先生成并存储在磁盘上，以便快速分发到客户端。这样做可以同时支持成千上万个并发请求，而这对于动态地图绘制而言基本是不可能的。

正如图5.1显示的，切片地图采用的是金字塔模型，是一种多分辨率层次模型，从切片金字塔的底层到顶层，比例尺越来越小，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。切片地图通常都带有一个级别、行与列编号方案，以便将来自多个切片地图服务的切片放置到正确的位置。

图5.1 切片地图包含的内容

有了切片地图，制图人员再也不用担心性能问题了，他们可以使用他们所掌握的所有工具，来制作一张美观Web地图。一旦创建了地图切片，这些切片就保存到了服务器上的某个文件夹中，服务器检索美观地图图片与丑的图片的速度是一样的。正由于Web服务器可以快速分发切片地图图像，因此我们可以使用AJAX(Asynchronous JavaScript and XML，异步JavaScript和XML)编程技术来从服务器获取图片，这样当用户漫游时不会出现页面闪烁的现象。

这种变化是革命性的。一类是具有图层排序与调整符号颜色等功能，但响应非常迟缓的丑陋的地图应用；一类是没有图层控制，但具有惊人美观并且快速响应的地图应用。对于这两类Web GIS应用的选择，虽然对于一些GIS长期爱好者可能还需要停下来比较一下，但对于普通互联网用户来说根本不用思索，他们无疑会选择后者。

在谷歌地图了一两年以后，商业GIS软件开始提供创建地图切片的功能。由于可以使用成熟的地图制作工具ArcMap，很多人选择使用ArcGIS Server来空间信息Web服务，但是其价格不菲。我国的超图SuperMap iServer是另一种商业选择。免费和开源Mapnik库也可以创建地图切片，但是直到最近几年才提供了将Mapnik封装的用户友好的应用程序(即TileMill)。

如果一个Web GIS应用有成千上万用户并发访问，那么切片地图是一个合理的解决方案。然而，切片地图不提供改变图层顺序与符号的功能。人们开始研究其他改进方案，将通用的基础底图图层为切片，在其上叠加另外的包含专题信息的图层。通用底图切片可以用于许多应用。如果专题图层的变化不频繁，或者覆盖区域非常大，则也可以使用切片方式。例如，如果使用Firebug等开发者工具来深入检查谷歌地图的话，可以看到其底图与专题图层(如Panoramio照片)都是以切片方式获取的，如图5.2所示。

图5.2 Panoramio的照片专题图也以切片的方式提供

5.2 何时使用地图切片

如果希望基础底图能够快速漫游，或者同时有几十个并发用户，这时应该为底图创建切片缓存。如果专题图层中地物要素的空间位置与属性信息不经常变换，那么也可以创建切片缓存。

但不管是那种情况，必须了解到切片缓存代表着切片创建时该时刻点的地图快照。说得难听的话，当后端数据发生变化时，这些切片不会自动更新，是一些“死图片”。为了更新地图，切片地图服务提供者必须定期创建新的切片。对于那些大规模的切片缓存，有时管理员只针对变换领域更新切片，而不是重建整个地图范围的所有切片。而这又需要记录哪些地方进行过编辑，或比较几个版本的数据。

确定Web GIS系统是否需要创建自己的地图切片，需要考虑以下几个方面。

5.2.1 是否有满足需求的切片地图

创建切片底图需要大量丰富的数据、高端的地图制作软件和制图技能，以及潜在的大量时间和磁盘空间。正是由于存在这些挑战，通用的Web混搭常常使用他人创建的地图切片。如果想没有任何限制的自由与免费使用，那么OpenStreetMap是个选择。而对于谷歌、微软或ERSRI的切片地图，则根据你的地图的性质(商业或不以盈利为目的)，以及多少人使用你的应用程序，确定是免费还是付费使用。而其他一些公司，例如CloudMade和MapBox，则以OpenStreetMap数据为基础提供他们自己版本的切片。

如果决定创建自己的基础底图，那么曾经设计过多比例尺地图的有经验的制图人员是必不可少的。在每个比例尺下，地图都应该有合适的符号、颜色以及相应的详细程度。仅仅为地图所有不同的比例尺创建注记就是一项令人望而生畏的任务。此外，如果在底图中包含卫星或航空影像，那么制图人员还需要另外再单独制作一组切片，因为需要不同的颜色与符号。

5.2.2 投影

要创建切片地图可以使用任何坐标系。但是，如果准备将自己的地图切片叠加在OpenStreetMap或谷歌、微软、ERSRI的切片地图上，则必须将珍贵的GIS数据转换到Web墨卡托投影。该投影创建的目的仅仅是方便将整个世界镶嵌为一组正方形切片。GIS纯粹主义者拒绝接受该投影方式，并预测这将无法得到大规模认可，但事实与他们的期待大相径庭。

Web墨卡托投影在很长一段时间内并没有被EPSG的投影数据库所接纳。EPSG认为它不能算作科学意义上的投影，所以只是给了一个EPSG：900913的标号，这个标号游离在EPSG常规标号范围之外。因此对于一些老的软件或API，可能使用了该代码或其他代码。直到2008年，EPSG才恍然明白：不管椭球体还是球体，其实都是对地球的模拟，只是程度上的差别，没有本质上的不同。或者是不得不接受广泛的事实标准，EPSG接纳了这个投影，定义投影坐标系PROJCS的名字为“Popular Visualization CRS / Mercator”，SRID为EPSG:3785；地理坐标系GEOGCS的名字为“Popular Visualization CRS”，SRID为EPSG:4055。这些标号已经进入“正常范围”。

另外要注意的是，即使使用EPSG:3785，即Web墨卡托投影显示地图，也不能在该投影下进行量测功能，包括线的长度与多边形面积的量算。即使在中纬度地区，结果都存在很大的偏差。要执行量测功能，好是将几何图形投影到本地坐标系统。

以下链接指向一个小型 Web 应用程序，该程序生动展示了Web墨卡托投影如何影响距离和面积计算。

links.esri.com/web_mercator_measurements

图5.3显示了如何使用示例 Web 应用程序测量一个小面的面积。在右侧面板上，有3个不同的坐标系用于计算此面的面积和周长。State Plane Oregon North的测量最为，其次是UTM Zone 10测量，它们之间只相差很小的百分比。但是，请注意Web墨卡托投影的测量值，长度测量为9600 米，几乎是State Plane Oregon North值6763的1.5倍。正如所见，Web墨卡托投影不适合用于计算距离和面积。其他坐标系(尤其是大的面积(洲)等角投影)在测量距离和面积时同样不尽如人意。

图5.3 使用Web墨卡托投影时多边形的面积不

ESRI的一篇名为“Measuring distances and areas when your map uses the Mercator projection”的博客文章给出了针对ArcGIS API for JavaScript的解决方案，使用开源软件的也可以借鉴其思路。该博客文章的地址如下：

blogs.esri.com/esri/arcgis/2010/03/05/measuring-distances-and-areas-when-your-map-uses-the-mercator-projection/

5.2.3 比例尺

要将地图切片叠加在OpenStreetMap或谷歌、微软、ERSRI的ArcGIS在线切片地图上，除了保障使用相同的投影之外，还需要确保比例尺序列一致。不过这些地图的比例尺序列与我们通常见到的地形图比例尺序列很不一样，我国地形图比例尺一般有1︰10000、1︰50000等。而这些地图的比例尺是计算出来的，最小比例尺是将整个世界放置在2×2的网格中，每个网格大小是256像素×256像素，因此最小比例尺为1 : 295829355.45，再放大一个级别，那么比例尺在原基础上乘以2，结果为1 : 147914677.73，以此类推。由于这些比例尺很不好记忆，也很不好用于交流，并且互联网地图用户也没必要关心这么的数字，因此切片地图的比例尺通常简化成为“14级”“15级”“20级”等。用户只需要大致了解在全国尺度、省一级尺度、城市尺度与社区尺度对应的级别即可。

表5.1列出了微软必应地图各比例级别对应的比例尺。该表中的比例尺与地面分辨率是以赤道位置来计算的，根据纬度不同而会有不同。

表5.1 微软必应地图各比例级别对应的比例尺

级别 地图高与宽(像素) 地面分辨率(米/像素) 地图比例尺(96 dpi)

1 512 78271.5170 1︰295829355.45

2 1024 39135.7585 1︰147914677.73

3 2048 19567.8792 1︰73957338.86

(续表)

级别 地图高与宽(像素) 地面分辨率(米/像素) 地图比例尺(96 dpi)

4 4096 9783.9396 1︰36978669.43

5 8192 4891.9698 1︰18489334.72

6 16384 2445.9849 1︰9244667.36

7 32768 1222.9925 1︰4622333.68

8 65536 611.4962 1︰2311166.84

9 131072 305.7481 1︰1155583.42

10 262144 152.8741 1︰577791.71

11 524288 76.4370 1︰288895.85

12 1048576 38.2185 1︰144447.93

13 2097152 19.1093 1︰72223.96

14 4194304 9.5546 1︰36111.98

15 8388608 4.7773 1︰18055.99

16 16777216 2.3887 1︰9028.00

17 33554432 1.1943 1︰4514.00

18 67108864 0.5972 1︰2257.00

19 134217728 0.2986 1︰1128.50

20 268435456 0.1493 1︰564.25

21 536870912 0.0746 1︰282.12

22 1073741824 0.0373 1︰141.06

23 2147483648 0.0187 1︰70.53

5.3 创建与提供切片地图服务的策略

地图切片一般都采用简单的文件夹结构，以便提供服务。然而，由于切片数量非常多，因此它们的管理变得非常复杂。当前互联网的切片地图基本有如下两种方式组织：

(1)将切片图像以文件夹的结构放在服务器上，用户直接请求文件。在这种方法中，只需要将单独的切片图像组织在代表比例级别、行和列的文件夹结构中。很多地图API通过访问包含代表级别、行和列结构的URL来访问切片。例如，当使用Leaflet API访问地图切片时，必须提供格式为“http：//{s}.somedomain.com/blabla/{z}/{x}/{y}.png”的网址，其中z是缩放级别，x和y分别是列和行。例如其中OpenCycleMap一个地图切片的URL地址如下：

a.tile.opencyclemap.org/cycle/10/265/420.png

(2)将切片以Web服务的方式提供访问。在这种方法中，虽然Web服务仍然需要用户提供访问切片的具体缩放级别、行与列，但是其背后文件的组织形式是看不见的。该方法比直接使用文件夹的方式相对稍微复杂一些，因此同时也会带来延时。OGC的 Web地图切片服务(Web Map Tiled Service，WMTS)规范就是按照这种方式来提供切片服务的。如果使用Firebug或其他开发者工具来查看百度地图的话，就可以看到该模式。例如，百度地图的URL如下：

online1.map.bdimg.com/tile/?qt=tile&x=793&y=293&z=12&styles=pl&udt=20150305&scaler=1

虽然通过仔细分析，可以看到缩放级别、行与列参数，但并不能知道百度地图在后台是如何组织地图切片的。

5.3.1 创建切片地图的策略

如果地图范围覆盖广，例如一个省或国家，那么大比例尺中地图切片的数量非常巨大。然而具有讽刺意味的是，在大比例尺下，很多地图切片包含的信息却非常少。例如在1:2250比例尺下，居民区附近的地图切片包含了丰富的有用的信息，但是如果漫游到沙漠或海洋地区，那么切片就很可能是空的，没有任何有用的信息。那么我们是否还有必要花费大量的时间创建并用上千MB的磁盘空间来存储它们呢？

对于这种情况，我们希望能找到某种按需创建切片的软件，也就是说，在用户及时次访问该区域时创建切片。及时个漫游到该地区的用户需要等待服务器创建切片，但是接下来的用户就不需要等待了。这样一来，那些受欢迎的地区有地图切片，那些从来没人访问的地区就不需要创建与存储切片。显然，这种方法的有效性基于服务器的绘制地图切片的速度。

另一种方案是使用“没有数据”图片表明某些地区没有切片。尽管地图管理人员常常不愿这么做，但是在实际使用过程中，当用户看到该图片时，都只会责怪自己放大太多，而不会埋怨管理员为什么不提供该比例尺下的地图。

好的方法应当是事先创建最感兴趣地区的地图切片，对于不感兴趣的区域，要么按需创建切片，要么提供“没有数据”图片。虽然作为一个地理学家，可能不太愿意把一些地方归为“不感兴趣”区域，但严酷的事实是，并不是所有的地图切片都会有均等的访问量。有研究表明，互联网地图用户的访问集中在大城市、海边和交通走廊。近期来自社交媒体的反馈，如地理微博和Flickr照片数据集，更能地揭示了地图用户最感兴趣地区。不过要说明的是，我们这里讨论的是通用用途的基础底图，而对于那些专业类型的地图，例如矿产勘查和野生动物保护，可能有截然不同的使用模式。

上述方式要求切片创建软件具有允许指定部分区域的能力。大多数软件仅仅允许指定一个矩形的子区域，但是像海边、城市等互联网地图用户所感兴趣的区域却通常不是矩形区域。因此有时需要使用一系列的矩形区域。

5.3.2 使用开源软件创建切片

当前各种FOSS软件中的一个基本工具就是创建网络切片地图工具。其中比较方便的是GeoWebCache，因为它集成在GeoServer中。其他还有TileCache与TileStache等。

Mapnik库是一个可为Python与其他语言调用的C 编写的自由及开放源代码软件，可用于创建地图切片。Mapnik是一个高效渲染引擎，其中包含了常用WMS图层中没有的高级绘图选项。虽然Mapnik的使用不太方便，通常需要一些Linux的知识以及一些实验与犯错，然而以利为目的Mapbox公司最近了一个名为TileMill开放源码的程序，可以在Mac和Windows上运行，以Mapnik为底层，提供了一个漂亮的窗口界面，从而简化了制图过程。在本章的第2个实践中，将介绍使用TileMill来创建费城的切片地图。

5.4 实践8：使用GeoWebCache创建切片

如果对于在WMS中设置的图层与符号均感到满意，但希望提供响应速度，以及支持更多的并发用户，那么则可以考虑使用GeoWebCache来创建地图切片。主要是因为GeoWebCache集成在GeoServer中。在本实践中，将介绍如何使用GeoWebCache来为实践7中的NeighborhoodMap图层组WMS服务创建切片地图服务。

(1)准备工作。

启动GeoServer，并打开GeoServer的Web管理页面。

使用OpenLayer预览webgis: NeighborhoodMap图层组，进行放大、缩小以及漫游等地图操作，注意观察性能以及地图的显示。可以观察到每次漫游时，标注都存在重新定位的现象，表明没有使用地图切片。

(2)创建地图切片。

在GeoServer的Web管理页面窗口的左边单击“Tile Caching”中的“Tile Layers”连接，在右边窗口进入Tile Layers页面。

在Tile Layers页面中，单击“webgis:NeighborhoodMap”连接，进入“图层组”页面。

在“图层组”页面中滚动鼠标，定位到“Tile cache configuration”部分。通过该部分的参数配置图层的缓存。由于是从“Tile Layers”连接进来的，因此自动选择为图层组创建缓冲切片。如果不进行进一步的操作，那么GeoServer将按需创建缓存切片。但是我们需要的不是按需创建，而是预先创建。

在GeoServer的Web管理页面窗口的左边，再次单击“Tile Caching”中的“Tile Layers”连接，然后在右边窗口Tile Layers页面中的webgis:NeighborhoodMap行单击“Seed/Truncate”连接，将打开一个新的窗口。

在新窗口中，按图5.4设置“Create a new task”表单。

然后选择底部的“Submit”，页面将进入执行任务监控页面，而GeoServer则在后台针对不同比例尺绘制地图。

等待大约30秒钟以后，单击“Refresh list”连接，可以看到图5.5所示的进度显示，告诉已进行多长时间，估计还需要多长时间。当单击“Refresh list”连接后，该进度统计列表消失时，表示地图切片已经创建完成。

图5.4 填写创建地图切片的参数

图5.5 地图切片任务执行统计列表

(3)预览切片地图。

在GeoServer的Web管理页面窗口中单击“Tile Layers”连接，进入Tile Layers页面。然后从webgis:NeighborhoodMap行的预览下拉列表框中选择“EPSG:900913 / png”，如图5.6所示。

图5.6 使用“EPSG:900913 / png”方式预览地图

在新的地图预览窗口中，对地图进行放大、缩小与漫游等操作，可以发现无须等待而地图立即显示，而且当漫游时标注并没有改变位置，表明已经利用切片缓存。

请注意，确保使用的是“Tile Layers”预览，而不是“Layer Preview”预览。切片图层预览使用的URL稍微有些不同，以表明需要使用切片缓存。

虽然使用切片缓存改善了性能，但是也正如大家注意到的，地图中存在重复标注的现象。因为每个地图切片并不清楚相邻切片中的标注，因此在生成地图切片时很难避免重复标注。要缓解该问题，切片生成软件通常在比切片更大的范围内绘制地图，然后再将其切开为单独的切片。GeoWebCache将该较大区域称为“metatile(元切片)”，而ESRI称为“supertile(超级切片)”。可以在GeoWebCache调整元切片的大小进行试验，可以看到，