从TMS逆向到 WMTS

有一个 TMS 的瓦片数据源，需要“模拟”一个 WMTS 服务出来，需要怎么做？

这个情况，其实有现成的基础设施或者说轮子来解决，比如各个地图服务器等，.net生态也有 tile-map-service-net5这种开源工具，这个问题之所以是个问题在于两个限制条件。

  1. 所用客户端不支持加载XYZ/TMS格式的数据，只能加载 WMS 和 WMTS 格式的数据。
  2. 使用的数据是切好片的 TMS 结构的数据。
  3. 客户端不方便依赖外部地图服务器。

模仿资源链接

一些我们熟悉的互联网地图，用的都是 XYZ 或者 TMS的方式，例如OSM、Google Map 和Mapbox 等等，从之前的栅格瓦片到如今矢量瓦片更为常见，想要用TMS “模仿” WMTS 的请求格式，需要先了解他们直接有啥不一样。

XYZ（slippy map tilename）

  • 256*256 像素的图片
  • 每个 Zoom 层级是一个文件夹，每个Column 是个子文件夹，每个瓦片是一个用 Row 命名的图片文件
  • 格式类似/zoom/x/y.png
  • x 在 (180°W ~ 180°E)，y 在（85.0511°N ~85.0551°S），Y轴从顶部向下。

可以从Openlayers TileDebug Example，看到一个简单的 XYZ 瓦片的示例。

TMS

TMS的 Wiki wikipedia没涉及什么细节、osgeo-specification
只描述了协议的一些应用细节。反倒是 geoserver docs 关于 TMS 的部分写的更务实一些。 TMS 是 WMTS 的前身，也是 OSGeo 制定的标准。

请求形如：
http://host-name/tms/1.0.0/layer-name/0/0/0.png

为了支持多种文件格式和空间参考系统，也可以指定多个参数：
http://host-name/tms/1.0.0/layer-name@griset-id@format-extension/z/x/y

TMS 标准的瓦片格网从左下角开始，Y轴从底部向上。有的地图服务器，例如geoserver，就支持一个额外的参数flipY=true 来翻转 Y 坐标，这样就可以兼容Y 轴从顶部向下的服务类型，比如 WMTS 和 XYZ。

WMTS

WMTS 相较上述两个直观的协议，内容更复杂，支持的场景也更多。2010 年由OGC第一次公布。起始在此之前，1997年 Allan Doyle的论文“Www mapping framework” 之后，OGC就开始谋划网络地图相关标准的制定了。在 WMTS 之前，最早的，也是应用最广泛的网络地图服务标准是 WMS。因为WMS每个请求是依据用户地图缩放级别和屏幕大小来组织地图响应，这些响应大小各异，在多核CPU还没那么普及的当年，这种按需实时生成地图的方式非常奢侈, 同时想要提升响应速度非常困难。于是有开发者开始尝试预先生成瓦片的方式，于是涌现出了许多方案，前面提到的 TMS 就是其中的一个，后面WMTS 应运而生，开始被广泛应用。 WMTS 支持键值对(kvp)和 Restful 的方式对请求参数编码。

KVP 形如：
<baseUrl>/layer=<full layer name>&style={style}&tilematrixset={TileMatrixSet}}&Service=WMTS&Request=GetTile&Version=1.0.0&Format=<imageFormat>&TileMatrix={TileMatrix}&TileCol={TileCol}&TileRow={TileRow}
Restful形如：
<baseUrl>/<full layer name>/{style}/{TileMatrixSet}/{TileMatrix}/{TileRow}/{TileCol}?format=<imageFormat>
由于是栅格瓦片，这里只需要找到 XYZ 与 瓦片矩阵和瓦片行列号的对应关系就好了。

  • TileMatrix
  • TileRow
  • TileCol

这里的瓦片行列号是从左上角开始的，Y 轴从顶部向下。

这样，就找到了 TMS 与 WMTS 的各参数对应关系，接下来就是如何把 TMS 转换成 WMTS 的请求了，如下：

  • TileRow = 2^zoom - 1 - y = (1 << zoom) - 1 - y
  • TileCol = x
  • TileMatrix = zoom

在不考虑其他空间参考的情况下，缩放层级对应瓦片矩阵，x对应瓦片列号，y取反（因为起始方向相反）。

模拟一个 WMTS Capabilities 描述文件

WMTS规范的要求，几乎可以说是细到头发丝，所以各个客户端，不管是Web端的 Openlayers ，还是桌面端的QGIS或Skyline等，都支持直接解析Capabilities 描述文件，然后根据描述文件的内容来选择图层、样式和空间参考，所以我们这里还要模拟一个 WMTS Capabilities 描述文件出来。

Capabilities 描述文件的构成

一个WMTS Capabilities描述文件的例子可以在opengis schema,天地图山东找到。

Capabilities 描述文件的内容非常多，这里只列出一些重要的部分（忽略标题，联系方式等）：

OperationsMetadata:
  - GetCapabilities >> 获取 Capabilities 描述文件的方式
  - GetTile >> 获取瓦片的方式

Contents:
  - Layer
    - boundingBox >> 图层的经纬度范围
    - Style
    - TileMatrixSetLink >> 图层支持的空间参考
    - TileMatrixSet >> 空间参考
      - TileMatrixSetLimits >> 空间参考的缩放层级范围
        - TileMatrixLimits >> 每个缩放层级的瓦片行列号范围
  - Style
  - TileMatrixSet
    - TileMatrix

关键的部分就是 boundingBox、TileMatrixSetLimits、TileMatrixLimits ，只需要根据图层的空间参考和缩放层级来计算出来就好了。

boundingBox 的计算比较简单，就是图层的经纬度范围，这里就不展开了。

TileMatrixSetLimits 的计算比较简单，就是图层的空间参考的缩放层级范围。

TileMatrixLimits 的计算比较复杂，可以只在图层范围比较小的时候再弄，全球地图就没必要了，需要根据图层的空间参考和缩放层级来计算出来，下面是一段伪代码（4326 到 3857）。

FUNCTION GetTileRange(minLon, maxLon, minLat, maxLat, zoom, tile_size = 256)

minLonRad = minLon * PI / 180
maxLonRad = maxLon * PI / 180
minLatRad = minLat * PI / 180
maxLatRad = maxLat * PI / 180

tile_min_x = Floor((minLonRad + PI) / (2 * PI) * Pow(2, zoom))
tile_max_x = Floor((maxLonRad + PI) / (2 * PI) * Pow(2, zoom))
tile_min_y = Floor((PI - Log(Tan(minLatRad) + 1 / Cos(minLatRad))) / (2 * PI) * Pow(2, zoom))
tile_max_y = Floor((PI - Log(Tan(maxLatRad) + 1 / Cos(maxLatRad))) / (2 * PI) * Pow(2, zoom))

// adjust tile range based on tile size
tile_min_x = Floor((double)tile_min_x * tile_size / 256)
tile_max_x = Ceiling((double)tile_max_x * tile_size / 256)
tile_min_y = Floor((double)tile_min_y * tile_size / 256)
tile_max_y = Ceiling((double)tile_max_y * tile_size / 256)

RETURN  (tile_min_x, tile_max_x, tile_min_y, tile_max_y)

生成 WMTS Capabilities 描述文件

生成一个最小化的 WMTS Capabilities 描述文件，把上面的关键部分填充上，之后构造一个指向标准描述文件地址的的 Restful 风格的 URL。

后话

以上是一个简单的 TMS 转 WMTS 的思路，实际上还有很多细节需要考虑，比如空间参考的转换，缩放层级的转换，瓦片行列号的转换，瓦片的格式转换等等。
期间也踩了一些坑，感觉这部分更有意思。

第一部分，很快就参考 tile-map-service-net5 的思路，完成了 y >> tileRow的转换。代码在WebMercator.cs ，其实在StackOverflow上也有人问过这个问题，是有答案的，但我还是选择从软件里找答案，因为这样自己心里更踏实。

第二部分就很头大，首先模拟出了资源链接，构建了一个简单的 XML，但是在目标客户端上不能直接加载，很直接的想到了通过标准服务测试一下，然后哪来一个Capabilities 描述文件来修改。己想首先在比较熟悉的Openlayers上测试，然后再去修改Capabilities 描述文件。Openlayers的加载方式还是很灵活的，在没有Capabilities 描述文件的情况下，可以直接通过配置参数访问。

// fetch the WMTS Capabilities parse to the capabilities 
const options = optionsFromCapabilities(capabilities, {
            layer: 'nurc:Pk50095',
            matrixSet: 'EPSG:900913',
            format: 'image/png',
            style: 'default',
});
const wmts_layer =new TileLayer({
    opacity: 1,
    source: new  WMTS(options),
})

很遗憾，瓦片没有加载上，甚至networks里没有发送请求。于是又去另一个WMTS相关的例子哪里，自定义了一个 TileGrid，然后把瓦片的行列号转换成了3857的行列号，这时候可以加载了。

const projection = getProjection('EPSG:3857');
const projectionExtent = projection.getExtent();
const size = getWidth(projectionExtent) / 256;
const resolutions = new Array(31);
const matrixIds = new Array(31);
for (let z = 0; z < 31; ++z) {
    // generate resolutions and matrixIds arrays for this WMTS
    resolutions[z] = size / Math.pow(2, z);
    matrixIds[z] = `EPSG:900913:${z}`;
}
var wmtsTileGrid = new WMTSTileGrid({
    origin: getTopLeft(projectionExtent), resolutions: resolutions, matrixIds: matrixIds,
})

在确认了是 TileGrid 的问题之后，首先将自己生成的TileGrid与Openlayers从Capabilities解析出来的TileGrid进行对比。发现自己生成的TileGrid有一些字段是空的，于是挨个测试，最后发现设置fullTileRanges_和extent_两个内部参数为空时，影像可以加载。

去翻OL源码，发现fullTileRanges_和extent_在 getFullTileRange中被用到。

也就是说，当fullTileRanges_和extent_为空时，getFullTileRange会返回一个空的范围。

而getFullTileRange在withinExtentAndZ中用到了，这里是用来判断当前可视区域是否有该图层的瓦片。
也就是说，当fullTileRanges_和extent_为空时，获取不到 TileRange，withinExtentAndZ会一直返回true，这样就会一直加载瓦片了，也就是加载成功的原因。

相反，从Capabilities解析出来的fullTileRanges_和extent_指向了错误的TileRange，导致withinExtentAndZ一直返回false，这样就不会加载瓦片了，也就是加载失败的原因。

终于找到了原因，但这里又被骗了。在wmts.js，构造函数上有一行注释:

class WMTS extends TileImage {
  /**
   * @param {Options} options WMTS options.
   */
  constructor(options) {
      // TODO: add support for TileMatrixLimits
  }
}

这使我开始的时候误以为，fullTileRanges_和extent_是根据经纬度范围（boundingBox）计算出来的，而不是根据TileMatrixLimits算的，于是乎又检查了一遍boundingBox，确认无误后，才开始着手修改TileMatrixLimits。

开始的时候，以为 TileMatrixLimits 是每个层级的瓦片范围，而不是图层的范围，所以没注意到这个参数，这才走了弯路。

写在 2023 年，WMTS 已经不是一个新的协议了，OGC Tile API 已经成为正式标准了，自己对WMTS了解还是半瓶水，真是汗颜😅。

posted @ 2023-03-17 13:04  陈昱行  阅读(956)  评论(0)  编辑  收藏  举报