Mapbox矢量瓦片标准(mapbox vector-tile-spec)

2024-03-09 14:26:59

1. 目标
2. 文件格式
- 2.1. 文件后缀
- 2.2 MIME类型
3. 投影和范围
4. 内部结构

原始仓库地址:https://github.com/mapbox/vector-tile-spec
翻译原文地址:https://github.com/jingsam/vector-tile-spec/blob/master/2.1/README_zh.md

本文档中的“必须”、“必须不”、“必备”、"应该"、“不应该”、“建议”、“可以”、“可选”的含义参照RFC 2119。

1. 目标

本文档规定了一种节省存储空间的矢量瓦片数据编码格式。这种格式应用于客户端或服务端高效渲染或查询要素信息。

2. 文件格式

矢量瓦片文件采用Google Protocol Buffers进行编码。Google Protocol Buffers是一种兼容多语言、多平台、易扩展的数据序列化格式。

2.1. 文件后缀

矢量瓦片文件的后缀应该为mvt。例如，vector.mvt。

2.2 MIME类型

矢量瓦片的MIME类型应该设置为application/vnd.mapbox-vector-tile。

3. 投影和范围

矢量瓦片表示的是投影在正方形区块上的数据。矢量瓦片不应该包含范围和投影信息。解码方被假定知道矢量瓦片的范围和投影信息。

Web Mercator是默认的投影方式，Google tile scheme是默认的瓦片编号方式。两者一起完成了与任意范围、任意精度的地理区域的一一对应，例如https://example.com/17/65535/43602.mvt。

矢量瓦片可以用来表示任意投影方式、任意瓦片编号方案的数据。

4. 内部结构

这部分内容描述矢量瓦片的数据结构。读者需要先了解矢量瓦片protobuf编码方案文件中的结构定义。

4.1. 图层

矢量瓦片由一组命名的图层构成。每个图层包含几何要素和元数据信息。设计的图层格式能够保证图层数据能够在内存中按顺序排列，由此在图层组末尾添加一个新的图层就不用更改已有的数据。

每块矢量瓦片应该至少包含一个图层。每个图层应该至少包含一个要素。

图层必须包含一个version字段表示此图层所遵守的《矢量瓦片标准》的主版本号。例如，某个图层遵守2.1版本的标准，那么它的version字段的值则为整数2。version字段应该设定为图层的第一个字段。解码器应该首先解析version字段，以确定是否能够解析该版本的图层。当遇到一个未知版本的矢量瓦片图层时，解码器可以尝试去解析它，或者可以跳过该图层。以上两种情况下，解码器都应该继续解析后续的图层。

图层必须包含一个name字段。每块矢量瓦片必须不包含两个或两个以上的图层具有相同name值。在向一块矢量瓦片添加一个新的图层之前，编码器必须检查已有的name值以防止重复。

图层中的每个要素可以包含一个或多个key-value作为它的元数据（见下文）。所有要素的key和value被分别索引为两个列表——keys和values——为图层中的所有要素所共享。

图层keys字段的每个元素都是字符串。keys字段包含了图层中所有要素的key，并且每个key可以通过它在keys列表中的索引号引用，第一个key的索引号是0 。keys列表必须不包含两个或两个以上key是一样的。

图层values字段的每个元素是多种类型的值的编码（见下文）。values字段包含了图层中所有要素的value，并且每个value可以通过它在values列表中的索引号引用，第一个value的索引号是0 。values列表必须不包含两个或两个以上value是一样的。

为了支持字符串型、布尔型、整型、浮点型多种类型的值，对value字段的编码包含了一组optional字段。每个value必须包含其中的一个字段。

图层必须包含一个extent字段，表示瓦片的宽度和高度，以整数表示。矢量瓦片中的几何坐标可以超出extent定义的范围。超出extent范围的几何要素被经常用来作为缓冲区，以渲染重叠在多块相邻瓦片上的要素。

例如，如果一块瓦片的extent范围是4096，那么坐标的单位是瓦片长宽的1/4096。坐标0在瓦片的顶部或左边缘，坐标4096在瓦片的底部或右边缘。坐标从1到4095都是在瓦片内部，坐标小于0或者大于4096在瓦片外部。坐标(1,10)或(4095,10)在瓦片内部。坐标(0,10)或(4096,10)在瓦片边缘。坐标(-1,10)或(4097,10)在瓦片外部。

4.2. 要素

每个要素必须包含一个geometry字段。

每个要素必须包含一个type字段，该字段将在几何类型章节描述（4.3.4）。

每个要素可以包含一个tags字段。如果存在属于要素级别的元数据，应该存储到tags字段中。

每个要素可以包含一个id字段。如果一个要素包含一个id字段，那么id字段的值应该相对于图层中的其他要素是唯一的。

4.3. 几何图形编码

矢量瓦片中的几何数据被定义为屏幕坐标系。瓦片的左上角（显示默认如此）是坐标系的原点。X轴向右为正，Y轴向下为正。几何图形中的坐标必须为整数。

几何图形被编码为要素的geometry字段的一个32位无符号型整数序列。每个整数是CommandInteger或者ParameterInteger。解码器解析这些整数序列作为生成几何图形的一系列有序操作。

指令涉及到的位置是相对于“游标”的，即一个可重定义的点。对于要素中的第一条指令，游标在坐标系中的位置是(0,0)。有些指定能够移动游标，因而会影响到接下来执行的指令。

4.3.1. 指令数

CommandInteger指代所要执行的操作和执行的次数，分别以command ID和command count表示。

command ID以CommandInteger最末尾的3个比特位表示，即从0到7。command count以CommandInteger剩下的29个比特位表示，即0到pow(2, 29) - 1。

command ID、command count、和CommandInteger三者可以通过以下位运算相互转换。

CommandInteger = (id & 0x7) | (count << 3)

id = CommandInteger & 0x7

count = CommandInteger >> 3

每个command ID表示以下指令中的一种：

指令	Id	参数	参数个数
MoveTo	`1`	`dX`, `dY`	2
LineTo	`2`	`dX`, `dY`	2
ClosePath	`7`	无参数	0

指令数示例

指令	ID	Count	CommandInteger	二进制表示`[Count][Id]`
MoveTo	`1`	`1`	`9`	`[00000000 00000000 0000000 00001][001]`
MoveTo	`1`	`120`	`961`	`[00000000 00000000 0000011 11000][001]`
LineTo	`2`	`1`	`10`	`[00000000 00000000 0000000 00001][010]`
LineTo	`2`	`3`	`26`	`[00000000 00000000 0000000 00011][010]`
ClosePath	`7`	`1`	`15`	`[00000000 00000000 0000000 00001][111]`

4.3.2. 参数数

指令的所有参数紧跟在ParameterInteger之后。跟在CommandInteger之后的ParameterIntegers个数等于指令所需要参数的个数乘以指令执行的次数。例如，一条指示MoveTo指令执行3次的CommandInteger之后会跟随6个ParameterIntegers。

ParameterInteger由zigzag方式编码得到，以使小负数和正数都被编码为小整数。将参数值编码为ParameterInteger按以下公式转换：

ParameterInteger = (value << 1) ^ (value >> 31)

参数值不支持大于pow(2,31) - 1或-1 * (pow(2,31) - 1)的数值。

以下的公式用来将ParameterInteger解码为实际值：

value = ((ParameterInteger >> 1) ^ (-(ParameterInteger & 1)))

4.3.3. 指令类型

以下关于指令的描述中，游标的初始位置定义为坐标(cX, cY)，其中cX指代游标在X轴上的位置，cY指代游标在Y轴上的位置。

4.3.3.1. MoveTo指令

表示MoveTo指令执行n的ParameterInteger必须立即接上n对ParameterInteger。对于(dX, dY)参数：

1. 定义坐标`(pX, pY)`，其中`pX = cX + dX`和`pY = cY + dY`。
   * 对于点要素，这个坐标定义了一个新的点要素。
   * 对于线要素，这个坐标定义了一条新的线要素的起点。
   * 对于面要素，这个坐标定义了一个新环的起点。
2. 将游标移至`(pX, pY)`。

4.3.3.1. LineTo指令

表示LineTo指令执行n的ParameterInteger必须立即接上n对ParameterInteger。对于(dX, dY)参数：

1. 定义一条以游标位置`(cX, cY)`为起点，`(pX, pY)`为终点的线段，其中`pX = cX + dX`和`pY = cY + dY`。
   * 对于线要素，这条线段延长了当前线要素。
   * 对于面要素，这条线段延长了当前环。
2. 将游标移至`(pX, pY)`。

对于任意一对(dX, dY)，dX和dY必须不能同时为0.

4.3.3.3. ClosePath指令

每条ClosePath指令必须只能执行一次并且无附带参数。这条指令通过构造一条以游标(cX, cY)为起点、当前环的起点为终点的线段，闭合面要素的当前环。

这条指定不改变游标的位置。

4.3.4. 几何类型

要素geometry字段的type的取值必须是GeomType枚举值之一。支持的几何类型如下：

UNKNOWN
POINT
LINESTRING
POLYGON

不支持GeometryCollection类型。

4.3.4.1. Unknown几何类型

本标准有意设置一个Unknown几何类型。这种几何类型可以用来编码试验性的几何类型。解码器可以选择忽略这种几何类型的要素。

4.3.4.2. Point几何类型

POINT几何类型用来表示单点或多点几何。每个点几何的指令序列必须包含一个MoveTo指令，并且该指令的command count大于0。

如果POINT几何的MoveTo的command count为1，那么必须将其解析为单点；否则必须解析为多点，指令后面的每对ParameterInteger表示一个单点。

4.3.4.3. Linestring几何类型

LINESTRING几何类型用来表示单线或多线几何。线几何的指令序列必须包含一个或多个下列序列：

1、一个MoveTo指令，其command count为1
2、一个LineTo指令，其command count大于0

如果LINESTRING的指令序列只包含1个MoveTo指令，那么必须将其解析为单线；否则，必须将其解析为多线，其中的每个MoveTo指令开始构造一条新线几何。

4.3.4.4. Polygon几何类型

POLYGON几何类型表示面或多面几何，每个面有且只有一个外环和零个或多个内环。面几何的指令序列包含一个或多个下列序列：

1、一个ExteriorRing
2、零个或多个InteriorRing

Each ExteriorRing and InteriorRing MUST consist of the following sequence:
每个ExteriorRing和InteriorRing必须包含以下序列：

1、一个MoveTo指令，其command count为1
2、一个LineTo指令，其command count大于1
3、一个ClosePath指令

一个外环被定义为一个线性的环，当应用surveyor's formula，以多边形的节点在瓦片坐标系下的坐标计算面积时，其面积为正。在瓦片坐标系下（X向右为正，Y向下为正），外环节点以顺时针旋转。

一个内环被定义为一个线性的环，当应用surveyor's formula，以多边形的节点在瓦片坐标系下的坐标计算面积时，其面积为负。在瓦片坐标系下（X向右为正，Y向下为正），内环节点以逆时针旋转。

如果POLYGON的指令序列只包含一个外环，那么必须将其解析为单面；否则，必须解析为多面几何，其中每个外环表示一个新面的开始。如果面几何包换内环，那么必须将其编码到所属的外环之后。

线性环必须不包含异常点，例如自相交或自相切。在ClosePath之前的坐标不应该与线性环的起始点坐标相同，因为会产生零长度的线段。线性环经过surveyor's formula计算的面积不应该为0，因为这意味着环包含有异常点。

面几何必须不能有内环相交，并且内环必须被包围在内环之中。

4.3.5. 几何要素编码示例

4.3.5.1. 点要素示例

假设示例点的坐标为：

(25, 17)

表示它只需要一条指令：

MoveTo(+25, +17)

编码      : [ 9 50 34 ]
              | |  `> 解码: ((34 >> 1) ^ (-(34 & 1))) = +17
              | `> 解码: ((50 >> 1) ^ (-(50 & 1))) = +25
              | ===== 相对地 MoveTo(+25, +17) == 创建点 (25,17)
              `> [00001 001] = command id 1 (MoveTo), command count 1

4.3.5.2. 多点要素示例

假设多点要素的坐标为:

(5,7)
(3,2)

编码需要两条指令：

MoveTo(+5,+7)
MoveTo(-2,-5)

编码      : [ 17 10 14 3 9 ]
               |  |  | | `> 解码: ((9 >> 1) ^ (-(9 & 1))) = -5
               |  |  | `> 解码: ((3 >> 1) ^ (-(3 & 1))) = -2
               |  |  | === 相对地 MoveTo(-2, -5) == 创建点 (3,2)
               |  |  `> 解码: ((34 >> 1) ^ (-(34 & 1))) = +7
               |  `> 解码: ((50 >> 1) ^ (-(50 & 1))) = +5
               | ===== relative MoveTo(+25, +17) == 创建点 (25,17)
               `> [00010 001] = command id 1 (MoveTo), command count 2

4.3.5.3. 线要素示例

假设示例线要素的坐标为:

(2,2)
(2,10)
(10,10)

编码需要3条指令：

MoveTo(+2,+2)
LineTo(+0,+8)
LineTo(+8,+0)

编码      : [ 9 4 4 18 0 16 16 0 ]
              |      |      ==== 相对地 LineTo(+8, +0) == 连接到点 (10, 10)
              |      | ==== 相对地 LineTo(+0, +8) == 连接到点 (2, 10)
              |      `> [00010 010] = command id 2 (LineTo), command count 2
              | === 相对地 MoveTo(+2, +2)
              `> [00001 001] = command id 1 (MoveTo), command count 1

4.3.5.4. Example Multi Linestring

4.3.5.4. 多线要素示例

假设示例要素的坐标为：

Line 1:
- (2,2)
- (2,10)
- (10,10)
Line 2:
- (1,1)
- (3,5)

编码需要以下指令：

MoveTo(+2,+2)
LineTo(+0,+8)
LineTo(+8,+0)
MoveTo(-9,-9)
LineTo(+2,+4)

编码      : [ 9 4 4 18 0 16 16 0 9 17 17 10 4 8 ]
              |      |           |        | === 相对地 LineTo(+2, +4) == 连接到点 (3,5)
              |      |           |        `> [00001 010] = command id 2 (LineTo), command count 1
              |      |           | ===== 相对地 MoveTo(-9, -9) == 新建一条线从 (1,1)
              |      |           `> [00001 001] = command id 1 (MoveTo), command count 1
              |      |      ==== 相对地 LineTo(+8, +0) == 连接到点 (10, 10)
              |      | ==== 相对地 LineTo(+0, +8) == 连接到点 (2, 10)
              |      `> [00010 010] = command id 2 (LineTo), command count 2
              | === 相对地 MoveTo(+2, +2)
              `> [00001 001] = command id 1 (MoveTo), command count 1

4.3.5.5. 面要素示例

假设示例面要素的坐标为：

(3,6)
(8,12)
(20,34)
(3,6) 闭合