WMTS是什么

WMTS（Web Map Tile Service）即Web地图瓦片服务。

它是一种用于通过网络提供预先切分地图瓦片的GIS服务标准。

简单来说：

WMTS将地图按照固定的比例尺、行列编号切成大量瓦片，客户端只请求当前视野需要的瓦片。

例如：

GIS数据
    ↓
地图渲染
    ↓
切成瓦片
    ↓
Tile
Tile
Tile
Tile
    ↓
WMTS服务
    ↓
WebGIS

用户浏览地图时，客户端只需要加载当前屏幕范围内的瓦片。

WMTS解决什么问题

如果使用WMS显示地图：

用户移动地图
    ↓
计算新的BBOX
    ↓
发送WMS请求
    ↓
服务器重新渲染
    ↓
返回地图图片

当用户频繁缩放、平移地图时，服务器可能需要不断进行地图渲染。

WMTS则采用瓦片方式：

地图
 ↓
预先切片
 ↓
保存瓦片
 ↓
客户端按需请求

因此可以大量减少实时地图渲染的压力。

WMTS的核心思想

WMTS可以简单理解为：

一张大地图
    ↓
按照固定规则切成很多小图片
    ↓
每张图片都有编号
    ↓
客户端只请求需要的图片

例如：

        地图
┌────┬────┬────┬────┐
│Tile│Tile│Tile│Tile│
├────┼────┼────┼────┤
│Tile│Tile│Tile│Tile│
├────┼────┼────┼────┤
│Tile│Tile│Tile│Tile│
└────┴────┴────┴────┘

每个Tile都是一个独立的地图瓦片。

WMTS与瓦片

WMTS中的Tile通常是固定大小的地图图片。

常见尺寸：

256 × 256

也可能使用：

512 × 512

例如：

Tile
┌──────────────────┐
│                  │
│     地图内容      │
│                  │
└──────────────────┘
       256 × 256

客户端将多个Tile拼接起来：

Tile + Tile + Tile
       ↓
     地图

WMTS的瓦片层级

WMTS通常使用多个缩放级别。

例如：

Zoom 0
    ↓
Zoom 1
    ↓
Zoom 2
    ↓
Zoom 3
    ↓
...

随着Zoom增加：

Zoom越小
 ↓
地图范围越大
 ↓
地图越概略

而：

Zoom越大
 ↓
地图范围越小
 ↓
地图越详细

Zoom

Zoom表示地图缩放级别。

例如：

Zoom 0

可能只需要少量瓦片覆盖整个世界。

Zoom 1

需要更多瓦片。

Zoom 10

需要大量瓦片。

可以理解为：

Zoom
 ↓
地图详细程度

Tile Matrix

WMTS中一个非常重要的概念是：

TileMatrix

可以理解为某一个Zoom级别下的完整瓦片网格。

例如：

TileMatrix 0
┌────────┐
│        │
│  Tile  │
│        │
└────────┘

到了更高级别：

TileMatrix 1
┌────┬────┐
│    │    │
├────┼────┤
│    │    │
└────┴────┘

再继续放大：

TileMatrix 2
┌──┬──┬──┬──┐
│  │  │  │  │
├──┼──┼──┼──┤
│  │  │  │  │
├──┼──┼──┼──┤
│  │  │  │  │
├──┼──┼──┼──┤
│  │  │  │  │
└──┴──┴──┴──┘

因此：

TileMatrix
    ↓
一个缩放级别
    ↓
一组瓦片网格

TileMatrixSet

WMTS中还有一个重要概念：

TileMatrixSet

它用于定义完整的瓦片矩阵体系。

通常包含：

TileMatrixSet
├── CRS
├── ScaleDenominator
├── TileWidth
├── TileHeight
├── MatrixWidth
└── MatrixHeight

可以理解为：

TileMatrixSet
        ↓
整个瓦片金字塔
        ↓
Zoom 0
Zoom 1
Zoom 2
Zoom 3
...

瓦片金字塔

WMTS通常采用：

Tile Pyramid

即瓦片金字塔结构。

例如：

             Zoom 0
              ┌─┐
              └─┘

           Zoom 1
          ┌──┬──┐
          └──┴──┘

        Zoom 2
       ┌──┬──┬──┬──┐
       └──┴──┴──┴──┘

     Zoom 3
   ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
   └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘

随着Zoom增加：

瓦片数量越来越多
地图范围越来越小
地图细节越来越丰富

WMTS的基本架构

典型WMTS架构：

GIS数据
    ↓
地图服务器
    ↓
地图渲染
    ↓
Tile Cache
    ↓
WMTS
    ↓
WebGIS客户端

如果瓦片已经提前生成：

GIS数据
    ↓
预生成地图瓦片
    ↓
缓存
    ↓
WMTS

客户端访问时可以直接获取瓦片。

WMTS是一种服务标准

WMTS不是某个具体的软件。

它是OGC制定的开放地理空间服务标准。

例如：

OGC
├── WMS
├── WMTS
├── WFS
└── WCS

其中：

WMS
 ↓
地图图片服务

而：

WMTS
 ↓
地图瓦片服务

WMTS的主要操作

WMTS通常包含几个重要操作。

GetCapabilities

用于获取服务能力信息。

例如：

GetCapabilities
        ↓
WMTS服务
        ↓
返回服务配置

可以获取：

图层
TileMatrixSet
CRS
图片格式
瓦片尺寸
缩放级别
TileMatrix

GetTile

GetTile用于请求具体的一张地图瓦片。

基本思想：

Layer
+
TileMatrix
+
TileRow
+
TileCol
    ↓
Tile

例如：

Layer=roads
TileMatrix=10
TileRow=512
TileCol=1024

表示请求某一个固定位置、固定缩放级别的瓦片。

RESTful WMTS

WMTS也可以采用REST风格的请求方式。

可以理解为：

/{Layer}/{TileMatrixSet}/{TileMatrix}/{TileRow}/{TileCol}

例如：

roads
/
WebMercator
/
10
/
512
/
1024

最终定位到一张具体瓦片。

TileMatrix、TileRow、TileCol

这是WMTS中非常重要的三个概念。

TileMatrix

表示缩放级别。

TileMatrix = 10

表示：

Zoom 10

TileRow

表示瓦片所在的行。

TileRow = 512

TileCol

表示瓦片所在的列。

TileCol = 1024

因此：

TileMatrix
    ↓
缩放级别

TileRow
    ↓
行

TileCol
    ↓
列

共同确定一张瓦片。

瓦片坐标

可以把一个瓦片矩阵理解成一个二维数组：

       Col
       0    1    2    3
    ┌────┬────┬────┬────┐
Row 0│    │    │    │    │
    ├────┼────┼────┼────┤
Row 1│    │    │    │    │
    ├────┼────┼────┼────┤
Row 2│    │    │    │    │
    ├────┼────┼────┼────┤
Row 3│    │    │    │    │
    └────┴────┴────┴────┘

例如：

TileRow = 2
TileCol = 3

就是：

第2行
第3列

对应的Tile。

WMTS与CRS

WMTS同样需要坐标参考系统。

常见：

EPSG:3857
EPSG:4326

例如：

TileMatrixSet
    ↓
CRS
    ↓
EPSG:3857

瓦片矩阵的范围、分辨率和比例尺都与坐标参考系统有关。

因此使用WMTS时需要特别注意：

客户端的投影必须与WMTS的TileMatrixSet匹配。

EPSG:3857与WMTS

Web地图中非常常见的WMTS配置是：

CRS = EPSG:3857

也就是Web Mercator。

很多在线地图服务都采用类似的瓦片体系。

例如：

EPSG:3857
    ↓
TileMatrixSet
    ↓
Zoom
    ↓
Row / Column
    ↓
Tile

WMTS返回什么

WMTS通常返回地图瓦片图片。

常见格式：

image/png
image/jpeg

例如：

GetTile
    ↓
PNG

客户端收到：

256 × 256

的地图图片。

WMTS与WMS

WMS：

客户端
    ↓
BBOX
    ↓
WMS服务器
    ↓
实时渲染
    ↓
图片

WMTS：

客户端
    ↓
TileMatrix / Row / Col
    ↓
WMTS服务器
    ↓
读取瓦片
    ↓
图片

核心区别：

特性	WMS	WMTS
返回	地图图片	地图瓦片
请求方式	BBOX	Tile坐标
渲染	通常实时	通常预先切片/缓存
灵活性	高	相对固定
性能	中等	高
缓存	可以	非常适合
大规模访问	压力较大	更适合
地图平移	重新请求	请求相邻Tile

可以记住：

WMS是按地图范围请求地图，WMTS是按瓦片编号请求地图。

WMTS与XYZ

XYZ也是Web地图中非常常见的瓦片访问方式。

典型XYZ：

/{z}/{x}/{y}.png

其中：

z
 ↓
Zoom

x
 ↓
Column

y
 ↓
Row

例如：

/10/1024/512.png

表示：

Zoom = 10
X = 1024
Y = 512

WMTS和XYZ都使用瓦片。

但是：

XYZ通常是一种简单的瓦片URL访问约定，而WMTS是一套标准化的OGC地图瓦片服务规范。

WMTS与XYZ的区别

特性	WMTS	XYZ
标准	OGC标准	常见URL约定
请求	标准化参数	z/x/y
GetCapabilities	支持	通常没有
TileMatrixSet	支持	通常没有
服务描述	完整	简单
使用复杂度	较高	较低
Web地图	常用	非常常用

因此开发WebGIS时，经常会遇到：

WMTS
XYZ
TMS

三种不同的瓦片服务方式。

WMTS与TMS

TMS（Tile Map Service）也是一种地图瓦片服务规范。

它与XYZ非常接近。

常见区别之一是Y轴方向：

XYZ
Y从顶部开始

而部分TMS体系：

Y从底部开始

因此使用不同瓦片服务时，需要注意：

TileRow
TileCol
Y轴方向

否则可能出现：

地图上下颠倒
瓦片位置错误

WMTS与Vector Tile

WMTS通常返回：

PNG
JPEG

而Vector Tile通常返回：

PBF

WMTS：

GIS数据
    ↓
渲染
    ↓
图片Tile

Vector Tile：

GIS数据
    ↓
切片
    ↓
矢量Tile
    ↓
客户端渲染

因此：

特性	WMTS	Vector Tile
Tile内容	图片	Geometry
常见格式	PNG/JPEG	PBF
客户端样式	较弱	很强
Geometry	不直接提供	提供
交互	较弱	强
动态样式	较弱	强
数据分析	不适合	可以进一步处理

WMTS与Raster Tile

WMTS本质上非常接近Raster Tile服务。

例如：

Raster Tile
    ↓
地图图片

WMTS提供的是标准化的地图瓦片服务。

因此：

WMTS
 ↓
Raster Tile
 ↓
PNG / JPEG

是非常常见的组合。

WMTS为什么速度快

WMTS性能高的核心原因之一是：

预先渲染
+
瓦片缓存

例如：

GIS数据
    ↓
地图渲染
    ↓
Tile Cache

用户请求：

Tile
    ↓
Cache
    ↓
直接返回

而不是：

用户请求
    ↓
重新查询数据库
    ↓
重新投影
    ↓
重新渲染
    ↓
生成图片

因此可以显著减少服务器压力。

WMTS缓存

生产环境中的WMTS通常会使用Tile Cache。

例如：

用户
 ↓
CDN
 ↓
Tile Cache
 ↓
WMTS

如果Tile已经缓存：

请求
 ↓
Cache Hit
 ↓
直接返回

如果没有：

请求
 ↓
Cache Miss
 ↓
服务器生成Tile
 ↓
缓存
 ↓
返回

WMTS适合什么

WMTS非常适合：

在线底图
遥感影像
地形地图
行政区底图
道路地图
电子地图
高并发WebGIS
大范围地图浏览
三维地球底图
地图缓存服务

例如：

WebGIS
├── Raster Base Map
│   └── WMTS
│
├── Roads
│   └── WMTS
│
└── Satellite
    └── WMTS

WMTS不适合什么

WMTS不适合作为原始矢量数据交换方式。

例如需要：

获取Geometry
查询属性
修改Feature
空间分析
客户端动态渲染

更适合使用：

GeoJSON
WFS
Vector Tile

如果需要实时生成复杂专题地图：

WMS

通常更加灵活。

WMTS的优点

1. 性能高

瓦片可以直接从缓存中读取。

2. 适合高并发

大量用户可以同时请求不同Tile。

3. 适合地图浏览

用户移动地图时，只需要加载新出现的Tile。

4. 容易使用CDN

瓦片是静态图片，非常适合：

CDN
+
浏览器缓存
+
服务器缓存

5. 标准化

WMTS属于OGC标准，可以被多种GIS软件支持。

WMTS的缺点

1. 数据更新成本较高

如果原始GIS数据发生变化：

GIS数据更新
    ↓
重新生成Tile
    ↓
更新缓存

因此不如实时WMS灵活。

2. 样式变化需要重新切片

如果改变：

道路颜色
字体
符号

已经生成的Raster Tile通常需要重新生成。

3. 数据量大

高Zoom级别下：

Tile数量
    ↓
快速增加

需要较大的磁盘空间和缓存空间。

4. 客户端无法直接获得Geometry

客户端拿到的是：

PNG / JPEG

而不是：

Point
LineString
Polygon

WMTS的典型工作流程

GIS数据
    ↓
地图服务器
    ↓
地图渲染
    ↓
建立TileMatrix
    ↓
生成多个Zoom级别
    ↓
生成Tile
    ↓
缓存
    ↓
WMTS服务
    ↓
WebGIS

用户访问：

打开地图
    ↓
确定Zoom
    ↓
计算Tile范围
    ↓
请求Tile
    ↓
拼接Tile
    ↓
显示地图

WMTS地图加载过程

假设用户打开地图：

Zoom = 10

当前视野需要：

Tile A
Tile B
Tile C
Tile D

客户端发送：

Tile A
Tile B
Tile C
Tile D

服务器返回：

PNG
PNG
PNG
PNG

客户端将它们拼接：

┌───────┬───────┐
│ Tile A│ Tile B│
├───────┼───────┤
│ Tile C│ Tile D│
└───────┴───────┘

最终形成完整地图。

WMTS与地图缩放

当用户放大：

Zoom 10
    ↓
Zoom 11

客户端会切换到：

TileMatrix 11

并加载更加详细的Tile。

当用户缩小：

Zoom 11
    ↓
Zoom 10

则使用：

TileMatrix 10

因此：

Zoom
 ↓
TileMatrix
 ↓
TileRow + TileCol
 ↓
具体Tile

WMTS与分辨率

每个Zoom通常对应一个固定分辨率。

例如：

Zoom 0
 ↓
低分辨率

Zoom 10
 ↓
更高分辨率

Zoom 18
 ↓
非常详细

因此一个TileMatrixSet实际上定义了：

Zoom
+
Scale
+
Resolution
+
Tile数量
+
Tile大小

WMTS在OpenLayers中的使用

OpenLayers可以加载WMTS。

基本结构：

Map
 ↓
TileLayer
 ↓
WMTS Source
 ↓
WMTS Server

客户端需要根据WMTS服务的：

Capabilities

获取：

Layer
TileMatrixSet
Format
MatrixIds

然后建立WMTS图层。

WMTS在Leaflet中的使用

Leaflet本身非常适合加载Tile地图。

对于WMTS服务，可以根据服务提供的TileMatrix规则构造瓦片请求。

基本结构：

Leaflet
 ↓
Tile Layer
 ↓
WMTS
 ↓
Tile

需要特别处理：

TileMatrix
TileRow
TileCol

与Leaflet：

z
x
y

之间的对应关系。

WMTS在Cesium中的使用

Cesium可以将WMTS作为影像图层。

典型结构：

Cesium
 ↓
Imagery Layer
 ↓
WMTS
 ↓
Raster Tile
 ↓
地球

这非常适合：

卫星影像
地形图
GIS专题地图
城市底图

WMTS常见问题

1. TileMatrixSet不匹配

客户端使用：

EPSG:3857

而服务使用：

EPSG:4326

可能导致瓦片无法正确对齐。

2. MatrixId错误

不同WMTS服务可能使用：

也可能使用：

EPSG:3857:0
EPSG:3857:1

因此不能简单假设MatrixId。

应该通过：

GetCapabilities

确认。

3. TileRow方向错误

如果服务采用不同的Y轴规则：

顶部开始

和：

底部开始

会导致地图瓦片位置错误。

4. TileMatrixSet选择错误

同一个WMTS服务可能提供多个：

TileMatrixSet

例如：

GoogleMapsCompatible
EPSG4326

客户端必须选择与地图投影匹配的TileMatrixSet。

5. 图片格式错误

例如服务只支持：

image/png

客户端却请求：

image/jpeg

可能导致请求失败。

GetCapabilities为什么重要

使用一个陌生WMTS服务时，通常应该先：

GetCapabilities

然后查看：

Service
Layer
TileMatrixSet
Format
CRS
TileMatrix

例如：

WMTS
 ↓
GetCapabilities
 ↓
Layer
 ↓
TileMatrixSet
 ↓
Matrix
 ↓
Tile规则

只有理解这些信息以后，客户端才能正确加载WMTS。

WMTS完整知识结构

可以这样理解：

WMTS
├── OGC标准
│
├── Layer
│   └── 地图图层
│
├── TileMatrixSet
│   └── 瓦片矩阵体系
│
├── TileMatrix
│   └── 一个Zoom级别
│
├── Tile
│   ├── TileRow
│   └── TileCol
│
├── CRS
│
├── Format
│
└── 操作
    ├── GetCapabilities
    └── GetTile

WMTS与其他GIS服务

可以建立下面的关系：

Web GIS Services
│
├── WMS
│   └── 地图图片
│
├── WMTS
│   └── 地图瓦片
│
├── WFS
│   └── 矢量Feature
│
├── WCS
│   └── 栅格覆盖数据
│
└── Vector Tile
    └── 矢量瓦片

可以简单记忆：

WMS
 ↓
我要这个范围的地图

WMTS
 ↓
我要这张地图瓦片

WFS
 ↓
我要这些矢量Feature

WCS
 ↓
我要这些栅格数据

Vector Tile
 ↓
我要这些矢量Tile

WMS与WMTS如何选择

如果需要：

实时渲染
动态样式
灵活BBOX

可以考虑：

WMS

如果需要：

高性能
高并发
缓存
快速缩放

可以考虑：

WMTS

如果需要：

客户端动态样式
矢量Geometry
交互

可以考虑：

Vector Tile

一个实际WebGIS架构

实际项目中经常同时使用多种服务：

                    WebGIS
                       │
        ┌──────────────┼──────────────┐
        ↓              ↓              ↓
      WMTS            WMS           WFS
        ↓              ↓              ↓
     底图瓦片        专题地图       矢量数据
        │              │              │
        └──────────────┼──────────────┘
                       ↓
                    地图应用

例如：

底图
 ↓
WMTS

污染区域
 ↓
WMS

道路Feature
 ↓
WFS

客户端
 ↓
OpenLayers

这是一种非常典型的WebGIS架构。

总结

WMTS（Web Map Tile Service）是一种基于瓦片提供地图的GIS服务标准。

核心思想是：

完整地图
    ↓
切成瓦片
    ↓
建立TileMatrix
    ↓
缓存
    ↓
客户端按需请求

WMTS最重要的概念包括：

Layer
TileMatrixSet
TileMatrix
TileRow
TileCol
CRS
Tile

最重要的操作包括：

GetCapabilities
    ↓
获取服务信息

GetTile
    ↓
获取具体地图瓦片

可以记住：

WMS按照地图范围生成地图，WMTS按照瓦片编号提供地图。

进一步理解：

WMS
 ↓
动态地图图片

WMTS
 ↓
缓存地图瓦片

WFS
 ↓
矢量Feature

WCS
 ↓
栅格数据

Vector Tile
 ↓
矢量地图瓦片

因此WMTS是现代WebGIS中非常重要的高性能地图瓦片服务技术，特别适合在线底图、影像地图、专题地图以及需要大量用户并发访问的地图系统。

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