搭建本地瓦片地图服务器

搭建本地瓦片地图服务器指南

什么是瓦片地图服务器

瓦片地图服务器是一种专门用于存储和提供地理空间数据服务的系统架构，其核心思想是将地图数据预先切割成标准化的"瓦片"(Tile)单元。以下是详细说明：

瓦片地图系统详解

瓦片的基本特性

• 尺寸规格：
  • 标准瓦片通常采用256×256像素的正方形尺寸
  • 高分辨率显示可能使用512×512像素规格
  • 特殊场景下也有128×128或1024×1024等定制尺寸
• 文件格式：
  • 栅格格式：PNG（支持透明）、JPEG（适合照片类图像）
  • 矢量格式：PBF（Protocolbuffer Binary Format）用于矢量瓦片
  • WebP等新型格式也逐渐被采用以提高压缩率
• 内容特性：
  • 每个瓦片对应特定地理坐标系（如WGS84或Web墨卡托）下的矩形区域
  • 包含特定缩放级别(zoom level)下的地理数据
  • 可能包含元数据信息如时间戳、数据来源等

金字塔组织结构

• 层级结构：
  • 采用金字塔模型组织，从全球概览到局部细节
  • 顶层(zoom level 0)通常为1个瓦片覆盖全球范围
  • 采用Web墨卡托投影时，zoom level 0为1个瓦片，采用WGS84时可能为2×2=4个瓦片
• 数量增长规律：
  • 每增加1个缩放级别，瓦片数量变为4倍
  • 具体数量：zoom level N的瓦片数量为4ᴺ
  • 例如：zoom level 10需要1,048,576个瓦片
  • 实际应用中最高zoom level通常为18-22级
• 坐标系：
  • 瓦片采用XYZ坐标系，x表示经度方向，y表示纬度方向
  • 瓦片编号通常从左上角(0,0)开始计算

工作流程

(1) 预处理阶段

• 数据准备：
  • 原始数据来源包括：卫星遥感影像、航空摄影、矢量地图数据、激光雷达数据等
  • 数据需经过坐标系统一、拼接、调色等预处理
• 瓦片切割：
  • 使用专业GIS软件（如GDAL、ArcGIS）或专用瓦片生成工具
  • 按金字塔层级逐级切割，生成不同细节级别的瓦片
  • 可设置不同参数：压缩质量、DPI、水印等
• 存储方案：
  • 文件系统存储：按z/x/y目录层级组织（如/10/543/321.png）
  • 数据库存储：使用MBTiles等专用格式或PostGIS等空间数据库
  • 云存储：AWS S3、阿里云OSS等对象存储服务
  • 可配合CDN进行全球加速分发

• 每个瓦片通常是256×256像素的正方形图片（也有512×512等其他规格）
• 采用标准图像格式（如PNG、JPEG）或矢量格式（如PBF）
• 包含特定地理区域和特定缩放级别的数据

• 按照缩放级别(zoom level)分层，形成金字塔状的数据结构
• 最上层（zoom level 0）通常显示全球范围，可能只包含1-4个瓦片
• 每增加一个缩放级别，瓦片数量呈指数增长（约4倍）
• 例如：zoom level 1有4个瓦片，zoom level 2有16个，以此类推

(2) 服务阶段：

• 客户端（如Web浏览器、移动应用）根据当前视图的经纬度范围和缩放级别计算所需瓦片
• 向服务器发送包含瓦片坐标（x,y,z）的请求
• 服务器返回对应瓦片，客户端将其拼接成连续的地图显示

• Web地图服务（如Google Maps、OpenStreetMap）
• 移动端地图应用
• GIS系统前端展示
• 游戏地图引擎

• 快速响应：预生成的瓦片无需实时渲染
• 节省带宽：只传输当前视图需要的瓦片
• 良好的缓存性能：相同瓦片可以被重复利用
• 可扩展性：支持分布式部署和CDN加速

• 开源方案：GeoServer、MapServer、TileServer GL
• 商业方案：ArcGIS Server、Mapbox
• 存储格式：MBTiles、GeoPackage

搭建前的准备工作

硬件要求

服务器配置

• 处理器：至少需要4核CPU，推荐Intel Xeon或AMD EPYC系列服务器级处理器。对于大规模地图服务，建议使用8核或更高配置。
• 内存：最低8GB，实际需求取决于并发用户数量。每100个并发用户约需增加1-2GB内存，高负载场景可能需要32GB或更多。
• 存储空间：
  • 小型城市地图：约需20-50GB存储
  • 省级地图：100-500GB
  • 全国或全球地图：TB级存储
  • 建议使用SSD以提高I/O性能，特别是对于频繁读取的瓦片数据

网络要求

• 稳定的宽带连接，建议上行带宽不低于100Mbps
• 对于全球服务，推荐使用CDN加速
• 固定IP地址或域名解析

软件组件

操作系统

• 推荐系统：Linux发行版
  • Ubuntu LTS (20.04/22.04) 提供长期支持
  • CentOS/Rocky Linux 适合企业环境
• 不推荐：Windows系统，因性能和管理复杂度较高

数据库系统

• PostgreSQL：版本12或更高
  • PostGIS扩展：3.0+版本，提供地理空间数据处理能力
  • 配置建议：专用数据库服务器，优化shared_buffers等参数
• 替代方案：MySQL(带有空间扩展)、MongoDB(适合文档型地理数据)

地图服务器软件

辅助工具

• GDAL/OGR：数据转换工具
• QGIS：可视化检查和调试

数据准备

地图数据获取

样式配置

• Mapbox GL样式：
  • 包含多个图层定义
  • 使用JSON格式
  • 需要配套的字体库和图标集
• 传统SLD样式：
  • 用于WMS服务
  • XML格式

高程数据

• SRTM：30米/90米分辨率全球数据
• ASTER GDEM：30米分辨率
• LiDAR数据：高精度，需专门处理
• 处理工具：GDAL生成DEM，后续可制作地形阴影图或3D地形

预处理步骤

详细搭建步骤

步骤1：安装基础软件

# Ubuntu示例
sudo apt update
sudo apt install -y postgresql postgis apache2
sudo apt install -y osm2pgsql git curl

步骤2：配置PostgreSQL数据库

— 创建专用数据库用户
CREATE USER gisuser WITH PASSWORD 'yourpassword';

— 创建数据库
CREATE DATABASE gisdb WITH OWNER gisuser;

— 启用PostGIS扩展
\\c gisdb
CREATE EXTENSION postgis;
CREATE EXTENSION hstore;

步骤3：导入地图数据

# 下载OpenStreetMap数据
wget https://download.geofabrik.de/asia/china-latest.osm.pbf

# 导入数据到PostgreSQL
osm2pgsql -c -d gisdb -U gisuser -H localhost -W china-latest.osm.pbf \\
–slim -C 4000 –number-processes 4

步骤4：安装和配置地图服务器(以TileServer GL为例)

# 安装Node.js和TileServer GL
curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_14.x | sudo -E bash –
sudo apt install -y nodejs
sudo npm install -g tileserver-gl

# 准备配置文件(config.json)
{
"options": {
"paths": {
"root": "/var/www/tiles",
"data": "/var/www/tiles/data",
"styles": "/var/www/tiles/styles"
}
},
"data": {
"openstreetmap": {
"type": "postgis",
"dbname": "gisdb",
"user": "gisuser",
"password": "yourpassword",
"host": "localhost"
}
},
"styles": {
"basic": {
"style": "styles/basic/style.json",
"tilejson": {
"bounds": [73.66, 18.16, 135.05, 53.55]
}
}
}
}

步骤5：启动服务

# 创建服务目录
sudo mkdir -p /var/www/tiles/{data,styles}
sudo chown -R $USER:$USER /var/www/tiles

# 下载示例样式
git clone https://github.com/openmaptiles/osm-bright-gl-style.git /var/www/tiles/styles/basic

# 启动TileServer
tileserver-gl -c config.json