OpenGIS Web地图图块服务(WMTS)实现标准详解

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"该资源是关于OpenGIS基于Web的地图图块服务实现标准——WMTS的详细文档，旨在提供一种标准化的方式，以便于在互联网上高效地分发地图图块。文档涵盖了WMTS的标准范围、一致性、规范性引用、术语定义、约定以及实现模型，包括服务元数据、图块、FeatureInfo和操作请求的编码方式，特别是通过HTTPKVP编码进行GetCapabilities和GetTile等操作的详细说明。" OpenGIS Web Map Tile Service (WMTS) 是一个开放标准，由开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium, OGC)制定，它定义了如何在网络上发布和访问地图图块，以支持交互式地图服务。WMTS 提供了一种高效的方法来分发和集成地理空间信息，特别适合于网页和移动应用中的动态地图渲染。在WMTS中，地图被划分为一系列的小块，即图块，这些图块预先计算并存储在服务器上，用户请求时仅加载所需的特定图块，从而显著提高了加载速度和用户体验。标准中提到的“块阵集-图块空间的结构”描述了这种图块组织方式，而“知名比例尺系列”则规定了在不同缩放级别下可用的图块。服务元数据是WMTS的核心部分，它包含了关于服务的信息，如服务提供者、服务描述、数据源、服务能力等。GetCapabilities操作允许客户端获取这些元数据，以便了解服务的完整功能。在面向过程架构风格中，这是必需的操作。在面向资源架构风格下，ServiceMetadata资源请求同样扮演了获取服务信息的角色。图块是WMTS的基本单位，GetTile操作用于请求特定图块，其参数包括图层、坐标系统、比例尺和图块位置。面向过程和面向资源的两种架构风格提供了不同的请求方式。同时，WMTS还支持FeatureInfo功能，允许用户查询图块中的特定地理信息。操作请求编码部分详细阐述了如何使用HTTP Key-Value Pair (KVP)编码来构造和解析GetCapabilities和GetTile请求。这种方式简化了客户端和服务器之间的通信，使得请求和响应更加直观和易于理解。 OpenGIS WMTS标准是构建高性能、可互操作的地图服务的关键，它定义了一套完整的协议和数据交换格式，促进了地理空间信息在Web环境中的广泛共享和使用。

前言

本标准描述的WMTS是在更早的一些旨在建立可伸缩、高性能、基于Web的地图分发

服务的工作成果基础上完成的。WMTS受到了OSGeo的分块地图服务规范（OSGeo Tile Map

Service Specification，http://wiki.osgeo.org/index.php/Tile_Map_Service_Specification）的启发。

本标准的工作团队同时还研究了其他一些类似的工作成果，如Google地图和NASA的

OnEarth。本OGC标准同时包含面向资源（REST风格的方法）和面向过程（KVP和SOAP

编码）的架构风格，并努力使该接口标准与OSGeo的规范保持一致。

WMTS补充了之前开发基于Web的地图分发服务的一些成果。OGC WMTS弥补了WMS

不能提供分块地图的不足。WMS针对提供可定制地图的服务，是一个动态数据或用户定制

地图（需结合SLD标准）的理想解决办法。WMTS牺牲了提供定制地图的灵活性，代之以

通过提供静态数据（基础地图）来增强伸缩性，这些静态数据的范围框和比例尺被限定在

各个图块内。这些固定的图块集使得对WMTS服务的实现可以使用一个仅简单返回已有文

件的Web服务器即可，同时使得可以利用一些标准的诸如分布式缓存的网络机制实现伸缩

性。

本标准虽被列为一个单独的标准（基于OGC Web服务通用实现规范），但与WMS1.3.0

共用了许多概念。

本标准替代OGC发布为讨论稿的OGC 07-057的所有历史版本。

本标准包括7个附录，附录A，B和F是规范性附录，其他为资料性附录。

请注意本文档的某些部分有可能会涉及专利权。

Open Geospatial Consortium Inc.

不会负

责指出任何或所有此类的专利权。

请本文档的接收者若知晓本文档中的标准集可能违反任何相关专利权申明或其他知识

产权，提交通知，并随附意见，并请提供支持性的正式文件。

Introduction

This Web Map Tile Service (WMTS) Implementation Standard provides a standard based

solution to serve digital maps using predefined image tiles. The service advertises the tiles it has

available through a standardized declaration in the ServiceMetadata document common to all

OGC web services. This declaration defines the tiles available in each layer (i.e. each type of

content), in each graphical representation style, in each format, in each coordinate reference

system, at each scale, and over each geographic fragment of the total covered area. The

ServiceMetadata document also declares the communication protocols and encodings through

which clients can interact with the server. Clients can interpret the ServiceMetadata document to

request specific tiles.

The WMTS standard complements the existing Web Map Service standard of the OGC. The

WMS standard focuses on flexibility in the client request enabling clients to obtain exactly the

final image they want. A WMS client can request that the server creates a map by overlaying an

arbitrary number of the map layers offered by the server, over an arbitrary geographic bound,

with an arbitrary background color at an arbitrary scale, in any supported coordinate reference

system. The client may also request that the map layers be rendered using a specific server

advertised style or even use a style provided by the client when the WMS server implements the

OGC Styled Layers Descriptor (SLD) standard. However, all this flexibility comes at a price:

server image processing must scale with the number of connected clients and there is only limited

potential to cache images between the server and client since most images are different.

As web service clients have become more powerful, it has become possible to consider an

alternative strategy which forces the clients to perform image overlays themselves and which

limits the clients to requesting map images which are not at exactly the right position thereby

forcing the clients to mosaic the tiles obtained from the server and clip the set of tiles into a final

image. This restriction of image requests to a fixed, predefined set allows for servers to scale

based on communication processing abilities rather than image processing abilities because

servers can prerender some or all of their images and can use image caching strategies. The fixed

set of images also enables network providers to cache images between the client and the server,

reducing latency and bandwidth use. Popular, non standardized, commercial implementations of

this approach, such as Google Maps, Microsoft Virtual Earth and Yahoo! Maps have already

shown that there are clear performance benefits to adopting this methodology.

Some WMS servers have already embarked on this road, developing their own tiling

structures built by constraining WMS GetMap requests to a fixed set and then advertising those

constraints in their service metadata. Although this mechanism enables those servers to scale as

just described, the tiling structure and the advertising and discovery mechanisms are not

standardized. That unfortunately limits interoperability and forces developers to build, for each

server, special clients that can understand the server advertised constraints and limit the WMS

GetMap requests issued by the client to exactly the requests understood by the particular server.

This WMTS standard offers a standardized approach to declaring the images which a client can

request from a server, enabling a single type of client to be developed for all servers. While

developing a profile of WMS was initially considered, limiting a WMS in the ways important to

allow efficient access to cacheable tiles proved awkward while forcing implementors to read both

a standard and a profile seemed less efficient than developing this stand alone specification.

引言

本WMTS实现标准提供了一种采用预定义图块方法发布数字地图服务的标准化解决方

案。服务使用OGC Web服务通用的服务元数据文档中标准化的申明（declaration）机制来

告知其潜在用户它所提供的图块的信息。这些申明定义了每个图层（如每种类型的内容）、

每种图形表示式样、每种格式、每种坐标参照系统、每种比例尺以及整个覆盖区域中每块

地理区域所具有的图块。服务元数据文档同时还说明客户端可以与服务器端进行交互所使

用的通信协议和编码方法。客户端可以通过解译服务元数据文档来确定如何请求特定的图

块。

WMTS标准与WMS标准实现了互补。WMS标准针对客户端请求的灵活性，可以让客

户端获得刚好是其期望的最终图像。WMS客户端可以要求服务器通过对服务器上所具有的

地图图层进行任意数量的叠加，指定任意地理范围，设定任意的背景颜色和任意比例尺，

并以任何服务器支持的坐标参照系统生成一幅地图。客户端也可以请求指定的地图图层按

照服务器告知的图式进行符号化，甚至如果服务器实现了OGC SLD，可以按照客户端提供

的图式进行符号化。但是，这些灵活性是有代价的，服务器的图像处理能力必须随客户端

连接数的增加而增加，而且由于生成的绝大多数地图图像都不同，对服务器和客户端之间

交互产生的地图图像进行缓存的可能性大受限制。

由于许多Web服务的客户端已经变得非常强大，使得采用变通策略成为可能，即要求

客户端自行完成图片叠加，并限制客户端请求不在准确位置上的地图图片而导致客户端需

要拼接这些图块然后剪切成最后的图片。这种把图片请求限定为对固定的、预处理的图片

集的方法使得服务器能力可以随通讯处理能力而非图像处理能力递增，因为服务器可以预

先生成部分或全部地图图片，并利用图片缓存策略。固定的图片集使得网络提供商可以对

服务器和客户端之间传输的图片进行缓存，以减少延迟和带宽占用。这一技术方法的一些

流行的非标准商业实现，如Google Maps, Microsoft Virtual Earth and Yahoo! Maps，已经表

明采用这一方法可以带来明显的性能优势。

一些WMS服务器已经采用了这一方法，通过把WMS GetMap请求限定为一组固定集合，

并在其服务元数据中告知这些约束规则，定义了自己的分块结构。尽管这一机制使这些服

务器象描述的那样具有伸缩性，但分块结构、公告和发现机制都没有标准化。这一点限制

了互操作性，并迫使开发人员为每个服务器开发专门的客户端以理解该服务器告知的约束

规则并据此把该客户端发出的请求限定在特定服务器可以理解的确切范围内。本WMTS标

准提供了一个申明客户端可以从服务器上获得的图片的标准化方法，使得仅需开发一种客

户端软件即可访问所有服务器。同时，开始也考虑过通过采用允许对可缓存图片进行高效

访问的方式对WMS进行限定来制定一个WMS的定制标准，结果证实非常不便，因为要迫

使实现端同时理解标准和定制标准似乎比仅单独制定本标准效率更低。

This standard specifies WMTS in two stages. First, an abstract specification describes the

semantics of the resources offered by the servers and requested by the client. This abstract

definition specifies the semantics of the ServiceMetadata document, of the Tile images or

representations, and of the optional FeatureInfo documents providing descriptions of the maps at

specific locations. Second, this standard specifies several different concrete exchange

mechanisms between clients and servers in two different architectural styles. The standard

defines the GetCapabilities, GetTile and optional GetFeatureInfo operations for procedure

oriented architectural style based approaches using several different message encodings,

including messages encoded using Key-Value Pairs (KVP), XML messages, or XML messages

embedded in SOAP envelopes. The standard also defines the request mechanisms and endpoint

publishing strategy to enable a resource oriented architectural style based on web based URL

endpoints allowing clients to simply request the ServiceMetadata, Tile, and FeatureInfo resources

as documents.

This resource oriented architecture style is new to the OGC but offers key advantages in

ease of deployment, scalability and network effects of OGC web services. The RESTful pattern

provides the ability to set up conformant WMTS servers simply. If all the images are prerendered,

a WMTS server could even be created using no image processing logic at all but relying only on

a normal web server to return the static ServiceMetadata XML document and provide the image

tile files. This is important for deployment purposes as many Internet service providers

(especially the free ones) allow web pages and static content hosting but do not allow using CGI,

ASP, or more advanced applications for security reasons. The RESTful approach therefore

enables small organizations to provide geographic data using readily available services or simple

web server configurations. This approach also scales dramatically since the issues of serving

fixed resources in high volumes have been continuously tackled over the past decades. Finally,

this approach can benefit from network scaling effects since the images are considered by the

HTTP protocol to be standard web resources and network providers can leverage their existing

technologies to improve the flow of those resources to requesting clients.

本标准对WMTS分两部分进行了规定。第一部分是抽象规范，描述关于服务器所提供

资源和客户端所请求资源的语义。该抽象定义规定了ServiceMetadata文档、图块或图式表

达结果，以及提供描述特定位置地图的可选的FeatureInfo文档的语义。第二部分采用两种

不同架构风格定义了客户端与服务器端几个不同的具体交换机制。本标准基于面向过程的

架构风格采用包括KVP、XML消息或嵌入SOAP信报的XML消息在内的不同编码方法定义

了GetCapabilities, GetTile以及GetFeatureInfo（可选）操作，同时基于建立在URL端点基础

上的面向资源的架构风格定义了相应的请求机制和端点发布方法，使得客户端可以把

ServiceMetadata, Tile以及FeatureInfo等资源简单地作为文档进行请求。

这种面向资源的架构风格对于OGC来说是新鲜事物，但在易于部署、伸缩性以及OGC

Web服务的网络效率等方面具有显著优势。REST风格让建立兼容的WMTS服务器变得简单。

如果所有的图片都是预先生成的，甚至无需任何图片处理逻辑而仅靠一个常规的Web服务

器返回静态的ServiceMetadata XML文档并提供图块文件即可建立一个WMTS服务器。这对

于系统部署非常重要，因为许多因特网服务提供商（特别是免费的）允许网页和静态内容

寄存，但出于安全原因不允许使用CGI、ASP或更高级的应用。REST方法因此让小的机构

可以使用容易获得的服务或简单的Web服务器配置即可提供地理信息服务。该方法同时具

有显著的伸缩性，因为通过Web提供海量的固定资源服务所存在的问题已经在过去几十年

中不断设法得到解决。最后，该方法可以受惠于网络伸缩效应（network scaling effects），

因为图片被HTTP协议视为标准的Web资源，网络提供商可以充分利用他们已有的技术以提

高此类资源流向客户端的效率。

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