本文涉及的核心内容

一、瓦片基础

1.1 瓦片概念

地球是一个球，那么如何将一个三维的球展示在平面上呢？墨卡托投影就是将三维球表示在二维面上的方法之一，也是应用得最广泛的方法。我们平时看到的谷歌地图、百度地图、OpenStreetMap，都是使用的墨卡托投影。

墨卡托（Mercator）投影的过程其实非常简单，就是将地球用一个圆柱框起来，从球心发射出一条直线，它与球的交点，投影后的位置，就是这条线与圆柱的交点，此时圆柱展开成平面，就是投影后的结果了。

我们一般看到的墨卡托投影地图都是无法完整显示的，一般都只截取了85度纬度以内的部分，否则会是一个无穷高的图

处理成平面后的固定大小的块（正方形），就叫做瓦片（Tiles），可以独立处理、传输和存储。上面的示例图，只是展示了某一层级的瓦片，实际上瓦片还会有层级之分。如下图。

在空间上分层、在平面上分片，这就是瓦片技术了。

瓦片的数量，按层级划分如下。每个瓦片都是一个正方形。下面是层级、边长、该层级瓦片数量的关系

总结就是

边长=2^层级
该层级瓦片数量=边长*边长

层级	边长	该层级瓦片数量
0	1	1*1
1	2	2*2
2	4	4*4
3	8	8*8
4	16	16*16
5	32	32*32
6	64	64*64
7	128	128*128
8	256	256*256
9	512	512*512
10	1024	1024*1024
11	2048	2048*2048
12	4096	4096*4096
13	8192	8192*8192
14	16384	16384*16384
15	32768	32768*32768
16	65536	65536*65536
17	131072	131072*131072
18	262144	262144*262144
19	524288	524288*524288

1.2 瓦片分类

瓦片主要分为两类

栅格瓦片（Raster Tiles）
矢量瓦片（Vector Tiles）

栅格瓦片是将图像或地图以固定大小的正方形（通常是256x256像素或512x512像素）进行切割，每个瓦片包含了一部分图像数据。

矢量瓦片是将地图数据以矢量形式进行切割，每个瓦片包含了一部分地图的矢量数据，如点、线、多边形等。

特点	栅格瓦片 (Raster Tiles)	矢量瓦片 (Vector Tiles)
数据类型	位图图像（JPEG、PNG）	矢量数据（GeoJSON、MVT）
存储方式	固定大小的图像块	矢量数据的切片
渲染方式	直接展示	动态渲染后展示
文件大小	每个瓦片大小固定	取决于数据复杂度，每个瓦片大小不一
优点	渲染速度快，适用于复杂图像	放大不失真，样式和数据动态调整，更新便捷
缺点	放大失真，数据更新不便	渲染需要更多计算资源，不适用于复杂图像
使用场景	静态地图、图像浏览	动态地图、交互式地图

MVT是Mapbox公司提出的一种矢量瓦片格式，用于高效地存储和传输地理空间数据。每个MVT文件包含一个地图的矢量数据切片，通常以固定大小的矩形区域（瓦片）进行分割。

MVT（Mapbox Vector Tile）特点如下：

高效存储：
- 使用Protobuf（Protocol Buffers）进行二进制编码，比传统的JSON或GeoJSON格式更紧凑，显著减少存储空间和传输数据量。
灵活渲染：
- 矢量数据可以在客户端根据需求动态绘制，允许自定义样式（如颜色、线条粗细等），提供更高的灵活性。
多层支持：
- MVT文件支持在同一个瓦片中存储多个图层（如道路、建筑、河流等），每个图层包含不同类型的地理要素（点、线、面）。

MVT 结构示例

{
  "layers": [
    {
      "name": "roads",
      "features": [
        {
          "id": 1,
          "geometry": {
            "type": "LineString",
            "coordinates": [[-122.483696, 37.833818], [-122.483482, 37.833174]]
          },
          "properties": {
            "name": "Main Street"
          }
        }
      ]
    },
    {
      "name": "buildings",
      "features": [
        {
          "id": 2,
          "geometry": {
            "type": "Polygon",
            "coordinates": [[-122.483696, 37.833818], [-122.483482, 37.833174], [-122.483396, 37.833202]]
          },
          "properties": {
            "name": "City Hall"
          }
        }
      ]
    }
  ]
}

1.3 瓦片索引

瓦片索引（Tile Indexing）是地图瓦片系统中的一种编码方式，用于标识和定位瓦片。瓦片索引通常使用三种主要的坐标：缩放级别（Z）、行号（Y）和 列号（X）。这些坐标用于标识特定的瓦片。

z（缩放级别）：
- 定义：表示地图的缩放级别。
- 范围：通常从0开始，数字越大表示缩放级别越高（地图更详细）。
- 获取：根据您需要的地图详细程度来选择。常见的范围是0-20。
x（列）：
- 定义：在给定缩放级别下，瓦片在水平方向上的索引。
- 范围：从0到2^z - 1。
- 获取：基于经度计算得出。
y（行）：
- 定义：在给定缩放级别下，瓦片在垂直方向上的索引。
- 范围：从0到2^z - 1。
- 获取：基于纬度计算得出。

瓦片索引的常见编码规范如下

TMS（Tile Map Service）：
- Z 表示缩放层级，XY 的原点在左下角，X 从左向右，Y 从下向上
常用XYZ 坐标系统：
- Z 表示缩放层级，XY 的原点在左上角，X 从左向右，Y 从上向下
- 该坐标表示方式是标准的Web瓦片坐标系统，通常用于Google Maps和OpenStreetMap等地图服务，也用于Postgresql的Postgis扩展中的函数（如st_tileenvelope）

直观对比，如下