利用OpenStreetMap（OSM）資料搭建一個地圖服務

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圖 利用OSM資料簡單釋出的北京地圖服務

一、OSM是什麼

       開放街道圖（OpenStreetMap，簡稱OSM）是一個網上地圖協作計劃，目标是創造一個内容自由且能讓所有人編輯的世界地圖（wiki：http://wiki.openstreetmap.org/wiki/Main_Page）。尤其值得稱道的是，osm資料開源，可以自由下載下傳使用。

二、OSM資料結構

       OpenStreetMap包括空間資料以及屬性資料。其中空間資料主要包括三種：點（Nodes）、路（Ways）和關系（Relations），這三種原始構成了整個地圖畫面。其中，Nodes定義了空間中點的位置；Ways定義了線或區域；Relations（可選的）定義了元素間的關系。

        屬性資料Tags用于描述上述矢量資料基元。（http://wiki.openstreetmap.org/wiki/Elements）

2.1. Node 

       node通過經緯度定義了一個地理坐标點。同時，還可以height=*标示物體所海拔；通過layer=* 和 level=*，可以标示物體所在的地圖層面與所在建築物内的層數；通過place=* and name=*來表示對象的名稱。同時，way也是通過多個點（node）連接配接成線（面）來構成的。

 2.2. Way   

       通過2-2000個點（nodes）構成了way。way可表示如下3種圖形事物（非閉合線（Open polyline ）、閉合線（Closed polyline）、區域（Area ））。對于超過2000 nodes的way，可以通過分割來處理。

       a）Open polyline 

        非閉合線：收尾不閉合的線段。通常可用于表示現實中的道路、河流、鐵路等。

       b）Closed polyline 

        閉合線：收尾相連的線。例如可以表示現實中的環線地鐵。

       c）Area 

        區域：閉合區域。通常使用landuse=* 來标示區域等。 

2.3. Relation 

       一個Relation是用來描述兩個或多個基元的互相關系（nodes, ways 或者其他的relations），互相的關系通過role來定義，包括：

       a）route ：定義公路、自行車道、鐵路等

       b）多個多邊形：定義area例如建築、河堤等

       c）邊界：裝門用來定義行政邊界

       d）限制：用于描述限制比如“非左轉”

2.4. Tag 

       标簽不是地圖基本元素，但是各元素都通過tag來記錄資料資訊。通過'key' and a 'value'來對資料進行記錄（了解xml或者資料庫的應該都比較清楚了吧？）。例如，可以通過highway=residential來定義居住區道路；同時，可以使用附加的命名空間來添加附加資訊，例如：maxspeed:winter=*就表示冬天的最高限速。

三、OSM資料及下載下傳

osm資料格式主要有以下幾種，可以通過以下網站下載下傳資料。

osm資料格式：

OSM XML – xml-format provided by the API PBF – highly compressed, optimized binary format similar to the API o5m – for high-speed processing, uses PBF coding, has same structure as XML format OSMJSON – json variant of OSM XML

osm資料下載下傳網站：

GeoFabrik：http://www.geofabrik.de/ Metro Extracts：http://metro.teczno.com/ HOT Exports：http://hot.openstreetmap.org/ BBBike：http://extract.bbbike.org/

四、基于OSM資料搭建一個地圖服務

        OSM wiki提供了張架構圖，很有價值，我們可以按此架構圖一步步進行探索。

4.1. 資料庫

      Postgresql+插件PostGIS非常适合存儲地理空間資料，上面架構圖的底層資料庫也是此搭配，是以我們也使用此搭配。

      a）下載下傳postgresql+postGIS插件

sudo apt-get install postgresql postgresql-contrib postgis postgresql-9.1-postgis 安裝完畢，我們需要更改postgres使用者的密碼，否則我們就沒法使用這個資料庫伺服器。以postgres這個系統使用者的身份運作psql指令，在終端中輸入如下： sudo su postgres -c psql template1 這時候會出現新的提示符，輸入下面兩個指令，用新密碼替換 <***password***>： ALTER USER postgres WITH PASSWORD ' <***password***> ';

  b）建立使用者及資料庫

postgres# CREATE USER zhanlijun WITH PASSWORD 'xxxx'; postgres# CREATE DATABASE osm; postgres# GRANT ALL PRIVILEGES ON DATABASE osm to zhanlijun;

c）為資料庫添加空間擴充

CREATE EXTENSION postgis; -- Enable Topology CREATE EXTENSION postgis_topology; -- fuzzy matching needed for Tiger CREATE EXTENSION fuzzystrmatch; -- 地理編碼 CREATE EXTENSION postgis_tiger_geocoder; -- 用于存儲屬性tags，key-value CREATE EXTENSION hstore;

4.2. 導入資料

      從網站上下載下傳的osm資料一般是檔案格式（如xml、pbf等），為了使用我們需要将其導入到資料庫中，這就需要導入工具，架構圖使用了osmpsis，但是使用起來并不友好，推薦使用osm2pgsql。

      a）安裝osm2pgsql

Run sudo apt-get install software-properties-common to install the command add-apt-repository if the command can't be found. Run sudo add-apt-repository ppa:kakrueger/openstreetmap to add the PPA Run sudo apt-get update to update your packaging system. Run sudo apt-get install osm2pgsql to install the osm2pgsql package.

    b）安裝protobuf（為了導入pbf格式資料）

sudo apt-get install libprotobuf-c0-dev protobuf-c-compiler

   c）導入資料庫

osm2pgsql -s -U zhanlijun -d osm /Users/zhanlijun/Downloads/planet_116.104,39.667_116.892,40.066.osm.pbf -H localhost -W;

注：osm2pgsql導入資料有兩種模式， normal and slim mode。

normal mode會在記憶體中産生如下三張中間表，并在導入結束後丢棄，是以速度較快。

• planet_osm_nodes
• planet_osm_ways
• planet_osm_rels

而slim mode則将中間結果完全放置到資料庫中。slim模式的好處是友善更新。

兩者使用的差別在于是否加“-s”，加了表示slimmode，本文使用slim mode。

使用slim mode導入資料後在資料庫中會産生如下表。

4.3. 渲染

       資料已經導入到postgresql了，下面需要将資料渲染出來，也就是将postgresql中的矢量資料渲染成圖檔。

4.3.1 使用Mapnik進行渲染

目前最出名的開源地圖渲染引擎莫過于Mapnik。

 Mapnik可以渲染多種資料源，包括資料庫如postgresql，以及檔案格式資料例如shapefile、osm.xml格式等。

 這裡以shapefile格式資料為例，下載下傳需要渲染的矢量資料：http://www.naturalearthdata.com/

 1）打開python編輯器

 1 python 

2）導入mapnik python bindings

 1 import mapnik 

3）建立地圖

1 m = mapnik.Map(600,300) #建立一個地圖：寬600 高300
2 #m.srs 是該地圖的投影，預設是'+proj=longlat +ellps=WGS84 +datum=WGS84 +no_defs'
3 m.background = mapnik.Color('steelblue') #設定背景色      

4）建立樣式

根據我們需求設定樣式，樣式決定了最終渲染的結果。

1 s = mapnik.Style() #style對象
 2 r = mapnik.Rule() #rule對象來管理符号 
 3 #多邊形填充符号
 4 polygon_symbolizer = mapnik.PolygonSymbolizer(mapnik.Color('#f2eff9'))
 5 r.symbols.append(polygon_symbolizer)
 6 #多邊形邊界填充符号
 7 line_symbolizer = mapnik.LineSymbolizer(mapnik.Color('rgb(50%,50%,50%)'),0.1)
 8 r.symbols.append(line_symbolizer)
 9 s.rules.append(r)
10  #将樣式加入地圖
11 m.append_style('My Style',s)      

 5） 建立資料源

 1 ds=mapnik.Shapefile(file='Users/zhanlijun/Downloads/110m-admin-0-countries/ne_110m_admin_0_countries.shp')  

 6）建立圖層

mapnik的layer是資料的基礎容器。

1 layer = mapnik.Layer('world')#建立一個叫world的圖層
2 #layer.srs 預設是'+proj=longlat +ellps=WGS84 +datum=WGS84 +no_defs'
3 layer.datasource = ds
4 layer.styles.append('My Style')      

 7）準備map渲染

1 m.layers.append(layer) #将layer加到地圖
2 m.zoom_all() #将資料zoom_all，如果不用，結果将是空白      

 8）渲染地圖

最後我們得到一張png格式的世界地圖：world.png

4.3.2 使用TileMill進行渲染

      Mapnik使用起來并不容易，尤其是配置樣式的時候，下面我們使用TileMill進行渲染，TileMill的核心是Mapnik。

      TileMill的好處是所見即所得，右邊配置樣式，左邊能馬上顯示出結果。此外還可以将結果展示出來（下圖就是利用TileMill渲染北京osm資料的結果）。

4.4 一體化解決方案

 GeoServer + OpenLayers +PostGIS疊加顯示動态矢量資料。

安裝geoserver

sudo apt-get update sudo apt-get install unzip openjdk-6-jre echo "export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-6-openjdk-amd64" >> ~/.bashrc source ~/.bashrc wget -c http://sourceforge.net/projects/geoserver/files/GeoServer/2.3.5/geoserver-2.3.5-bin.zip unzip -a geoserver-2.3.5-bin.zip cd geoserver-2.3.5/bin ./startup.sh & 通路： http://localhost:8080/geoserver/

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