使用DEM和矢量数据绘制地图

2023-10-26 13:04:45

要生成一副图片地图，可以使用ArcGIS、QGIS等工具，也可以使用代码实现。我这里介绍的当然是用代码实现，而且是利用开源软件。毕竟桌面版GIS工具的介绍太多了，大家的地图都做的很漂亮。

用代码渲染地图就不得不提到GDAL和Mapnik。GDAL是处理GIS数据最常用的库，这里我们就要用到gdaldem处理DEM数据。Mapnik是渲染地图的最基本工具，我们要使用它来生成地图。

要绘制一个地图首先需要定义清楚绘制什么样的地图，是地形图还是街道图还是卫星影像图，然后根据地图内容的需求将需要的各种类型空间数据准备好，有了这些数据才能绘制出地图。

在这里我介绍的是如何绘制一个地形图，需要使用到的是DEM（数字高程模型）数据，和矢量数据。DEM数据是用来表示地形的高低起伏，一般来说DEM数据是存储为GeoTiff格式的。矢量数据我在这里主要是绘制水系，格式是Shape file。这次的重点是如何绘制地图，因此有关数据就不多做解释了，如果对这两种数据不了解可以自行查询一下。

接下来就是具体的过程介绍了。

第一步，我们需要对DEM数据进行简单的处理。主要目的是为了得到三种数据，第一种是色彩，主要是表现地形的高低，不同的颜色代表不同的海拔高度，可以直观的看出高度情况。第二种是山影，主要是为了让渲染出来的地图更具有立体性。第三种是坡度，不同的颜色可以代表地形的陡峭程度，当然还可以叠加上坡向的表示。

渲染色彩图首先需要创建一个配置文件，在使用gdaldem命令生成色彩数据的时候需要用到它。

比如创建一个空的配置文件叫做: color-relief.cfg，内容如下：

0 110 220 110
900 240 250 160
1300 230 220 170
1900 220 220 220
2500 250 250 250
nv 	255  255   255   0

其中每一行代表了一个海拔高度值对应的颜色是什么，第一列的数字是海拔高度值，后面3列是RGB颜色色值。这里需要注意的是最后的nv代表nodata-value，如果不配置这一项的话，没有数据的部分就会被渲染成黑色，这一行最后一列多了一个0，是它的透明度值，0代表完全透明，100代表完全不透明。

然后使用gdaldem创建色彩数据

gdaldem color-relief dem.tif color_relief.cfg color_relief.tif  -alpha

color_relief.tif文件长这样:

能看出来哪里高哪里低了，但是它看起来很平对吧。所以还需要多种数据叠加

创建color_slope.cfg，用于产生坡度数据

0 255 255 255
90 0 0 0

这个文件中每一行代表一个坡度对应什么颜色，第一列是坡度，后面3列是RGB色值。在这个例子中，产生的坡度数据会自动从0-90度填充从白色到黑色的渐变色。

产生坡度数据同样使用gdaldem命令

gdaldem slope dem.tif slope.tif
gdaldem color-relief slope.tif color_slope.txt slopeshade.tif  -alpha

现在只缺少山影数据了

gdaldem hillshade dem.tif hillshade.tif

我还准备了一个矢量数据，其中包含了河流和水库等水域信息，这个数据不需要单独处理，在Mapnik的地图样式配置文件中，可以同时使用多种不同的数据格式配图。

数据准备工作都已经完成，接下来就需要创建Mapnik渲染地图所需的地图样式配置文件了，我的配置文件terrain_lake.xml是这样的：

<Map srs="+proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs" background-color="transparent">
  <Style name="color relief style">
    <Rule>
      <RasterSymbolizer mode="normal" />
    </Rule>
  </Style>
  <Style name="slopeshade style">
    <Rule>
      <RasterSymbolizer opacity="0.1" mode="multiply" scaling="bilinear" />
    </Rule>
  </Style>
  <Style name="hillshade style">
    <Rule>
      <RasterSymbolizer opacity="0.3" mode="multiply" scaling="bilinear" />
    </Rule>
  </Style>
  <Style name="lake style">
    <Rule>
      <PolygonSymbolizer fill="rgb(180,210,230)" />
      <Filter>[type] = 'Waters'</Filter>
    </Rule>
  </Style>

  <Layer name="color relief">
    <StyleName>color relief style</StyleName>
    <Datasource>
      <Parameter name="type">gdal</Parameter>
      <Parameter name="file">color_relief.tif</Parameter>
    </Datasource>
  </Layer>
  <Layer name="slopeshade">
    <StyleName>hillshade style</StyleName>
    <Datasource>
      <Parameter name="type">gdal</Parameter>
      <Parameter name="file">slopeshade.tif</Parameter>
    </Datasource>
  </Layer>
  <Layer name="hillshade">
    <StyleName>hillshade style</StyleName>
    <Datasource>
      <Parameter name="type">gdal</Parameter>
      <Parameter name="file">hillshade.tif</Parameter>
    </Datasource>
  </Layer>
  <Layer name="lake" status="on" srs="+proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs">
    <StyleName>lake style</StyleName>
    <Datasource>
      <Parameter name="type">shape</Parameter>
      <Parameter name="file">land_use_utf8.shp</Parameter>
    </Datasource>
  </Layer>

</Map>

在这个配置文件中，可以针对不同数据定义多种样式和多个图层，每个图层可以指定不同的样式，非常方便使用。准备好配置文件后，我这里使用的是nodejs版本的binding调用mapnik渲染，代码如下：

var mapnik = require("mapnik");
var fs = require("fs");
mapnik.register_default_fonts();
mapnik.register_default_input_plugins();
var map = new mapnik.Map(300, 300);
map.load("./terrain_lake.xml", function(err, map) {
    map.zoomAll();
    var im = new mapnik.Image(300, 300);
    map.render(im, function(err, im) {
        im.encode("png", function(err, buffer) {
            fs.writeFile("map.png", buffer);
        });
    });
});

最终的结果是这样的：

最近我负责的项目中有很多地图需要渲染，使用了Mapnik进行批量处理，效果非常理想，而且Nodejs调用可以实现异步，效率也很高，圆满的完成了客户的需求。

Mapbox公司的开源项目中还有基于mapnik的瓦片服务，功能也很强大，如果使用编程手段生成地图的话，我认为Mapnik是比较理想的选择。（https://gisbook.cn/data/china-dem）

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