Web Map Tile Service

Aus GISpunkt HSR
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Der OGC-Standard Web Map Tile Service (WMTS) (offizielle Website mit Versionen, PDF v1.0.0) ist eine von mehreren Konventionen um Rasterkarten als (potenziell vor-berechnete & vor-gerenderte) Kachelsammlung anzubieten.

Siehe auch Wikipedia (en|de).

Verwendung

Einbinden auf SwissTopo-Webkarte

  1. Gehe auf https://map.geo.admin.ch/
  2. Unter "Advanced Tools" (de: "Erweiterte Werkzeuge"), klicke "Import" (de: "Importieren")
  3. Gib die URL zur WMTSCapabilities.xml-Datei an
  4. Klicke "Connect" (de: "Verbinden")
    Die Liste der verfügbaren Layer des WMTS wird angezeigt. Durch Hovern über dem jeweiligen Listeneintrag wird eine Vorschau im Hintergrund geladen.
  5. Für jeden gewünschten Layer:
    1. Wähle (durch Anklicken) den gewünschten WMTS-Layer aus der angezeigten Liste
    2. Füll wahlweise das Feld "Description" (de: "Beschreibung" aus) (optional)
    3. Klicke "Add Layer" (de: "Layer Hinzufügen")


Einbinden in QGIS

  1. Menü "Layer" > "Add Layer" > "Add WMS/WMTS Layer..." oder Ctrl-Shift-W
  2. Button "New"
  3. Feld "Name" beliebig ausfüllen
  4. In Feld "URL" die URL zur WMTSCapabilities.xml-Datei angeben
  5. Button "OK"
  6. Button "Connect"
    Die Liste der verfügbaren Layer des WMTS wird angezeigt.
  7. Für jeden gewünschten Layer:
    1. Wähle (durch Anklicken) den gewünschten WMTS-Layer aus der angezeigten Liste
    2. Klicke Button "Add"
  8. Klicke Button "Close"

Begrenzungen

Position im XML-Baum (XPath) begrenzt mittels Minimalbeispiel Maximalbeispiel
//Layer/ows:BoundingBox

das dargestellte Datenset des Layers

(informativ; Tiles können auch ausserhalb verfügbar sein, stellen dort aber keine Daten dar)

Koordinaten im CRS des Layers
<ows:BoundingBox>
    <ows:LowerCorner>420000 30000</ows:LowerCorner>
    <ows:UpperCorner>900000 350000</ows:UpperCorner>
</ows:BoundingBox>
<ows:BoundingBox crs="urn:ogc:def:crs:EPSG:6.3:21781" dimensions="2">
    <ows:LowerCorner>420000.000000 30000.000000</ows:LowerCorner>
    <ows:UpperCorner>900000.000000 350000.000000</ows:UpperCorner>
</ows:BoundingBox>
//Layer/WGS84BoundingBox

das dargestellte Datenset des Layers

(informativ; Tiles können auch ausserhalb verfügbar sein, stellen dort aber keine Daten dar)

dezimalen WGS84-Koordinaten (lon-lat: Längengrad vor Breitengrad)
<ows:WGS84BoundingBox>
    <ows:LowerCorner>-180 -85.05112878</ows:LowerCorner>
    <ows:UpperCorner>180 85.05112878</ows:UpperCorner>
</ows:WGS84BoundingBox>
<ows:WGS84BoundingBox crs="urn:ogc:def:crs:OGC:2:84" dimensions="2">
    <ows:LowerCorner>-180.0 -85.05112877980659237838</ows:LowerCorner>
    <ows:UpperCorner>180.0 85.05112877980659237838</ows:UpperCorner>
</ows:WGS84BoundingBox>
//Layer/TileMatrixSetLink/TileMatrixSetLimits/TileMatrixLimits

die abrufbaren Tiles des Layers für diese TileMatrix innerhalb des verlinken TileMatrixSets

(normativ; Anfrage ausserhalb sollte zu TileOutOfRange-Exception bzw. HTTP-Status-Code 400 Bad Request führen)

Tile-Indices
//TileMatrixSet/BoundingBox

den Definitionsbereich des TileMatrixSets und damit die potentiell abrufbaren Tiles aller aktuellen und künftigen Layers, die dieses Set verwenden

Koordinaten im CRS des TileMatrixSets

XYZ → WMTS

Hat man bereits einen nach XYZ-Konvention im Web verfügbaren Kachel-Satz, so lässt sich aus diesem ein (RESTful) WTMS machen, in dem man eine passende (statische) ServiceMetadata-XML-Datei WMTSCapabilities.xml serviert.

Beispiel

Kacheln von osm.ch als WMTS Konfig.-Datei: https://gist.githubusercontent.com/das-g/882334b2844d5cdc7807eb9c12b8bccb/raw/WMTSCapabilities.xml

XML-Schema-Validierung für WMTSCapabilities.xml

Siehe auch diese StackOverflow-Antwort bzgl. "XML Schema (XSD) validation tool".

Mit xmllint (libxml)

(CLI-Tool das bei libxml mitinstalliert wird, und somit auf Linux & Mac meist bereits vorhanden ist.)

xmllint --noout --schema http://www.opengis.net/wmts/1.0 WMTSCapabilities.xml

oder

xmllint --noout --schema http://schemas.opengis.net/wmts/1.0/wmtsGetCapabilities_response.xsd WMTSCapabilities.xml

(Falls das Schema lokal vorhanden ist, kann auch der Pfad zur Schema-Datei angegeben werden. Umgekehrt kann die XML-Datei auch als URL angegeben werden, um eine online verfügbare Version zu validieren. Allerdings scheint für Schema und XML nur HTTP, nicht aber HTTPS zu funktionieren.)

Mit xsd-validator

(Kleines Java-Programm, das den Standard-XML-Parser der JRE (normalerweise Xerces) verwendet.)

git clone https://github.com/amouat/xsd-validator.git
wget http://www.opengis.net/wmts/1.0 --output-document=wmts.xsd
wget http://schemas.opengis.net/wmts/1.0/wmtsGetCapabilities_response.xsd
./xsd-validator/xsdv.sh wmts.xsd WMTSCapabilities.xml

oder einfach

git clone https://github.com/amouat/xsd-validator.git
wget http://schemas.opengis.net/wmts/1.0/wmtsGetCapabilities_response.xsd
./xsd-validator/xsdv.sh wmtsGetCapabilities_response.xsd WMTSCapabilities.xml

(xsd-validator kann nur mit lokalen Schema-Dateien umgehen, daher laden wir diese(s) hier mit wget selbst herunter. Auch die XML-Datei muss lokal vorliegen.)


TileMatrixSet

Für einen Kachel-Satz nach OSM- & Google Maps-Konvention kann das "Well-known scale set" "GoogleMapsCompatible" (urn:ogc:def:wkss:OGC:1.0:GoogleMapsCompatible) aus Annex E.4 des Standards verwendet werden.

Scale Denominator

In Tabelle E.4 "Definition of Well-known scale set GoogleMapsCompatible" im Standard sind die Werte des "Scale Denominator" bereits für die Zoom-Levels 0–18 angegeben. Diese lassen sich aber auch wie folgt berechnen:

Herleitung

In Abschnitt 6.1 "Tile matrix set – the geometry of the tiled space" des Standards erhalten wir (unten auf Seite 8) u.A. folgende beiden Formeln:

pixelSpan = scaleDenominator × 0.28e-3 / metersPerUnit(crs)
tileSpanX = tileWidth × pixelSpan

Daraus folgt

tileSpanX = tileWidth × scaleDenominator × 0.28e-3 / metersPerUnit(crs)

und daraus durch auflösen nach scaleDenominator

scaleDenominator = tileSpanX × metersPerUnit(crs) / (tileWidth × 0.28e-3)

Die Kachel-Kantenlänge in Pixel tileWidth ist bei OSM & Google immer 256.

Das CRS WebMercator verwendet (pseudo-)Metrische Koordinaten, daher ist metersPerUnit(crs) hierfür 1.

Bei Zoomlevel Z wird die Welt zwischen 85.06°S and 85.06°N (und von 180°W bis 180°O) auf 2^Z × 2^Z Kacheln abgebildet. Entlang des Äquators hat man also 2^Z Kachel-Kanten. Laut Annex E.4 stimmen die "Scale Denominator"-Werte nur in Äquatornähe, also können wir das verwenden. Der Äquator-Radius (im EPSG-Eintrag "Semi-Major Axis (a)" genannt) ist der von WGS 84 und beträgt 6'378'137 m. Mit Tau (a.k.a. 2 Pi) multipliziert ergibt dies die Äquatorlänge. Damit ist

tileSpanX = Äquatorlänge  / (2^Z)
          = 6378137 × Tau / (2^Z)

Damit ergibt sich

scaleDenominator = (6378137 × Tau / (2^Z)) / (256 × 0.28e-3)

oder umgeformt die

Berechnungsformel
scaleDenominator = 6378137 × Tau / (256 × (2^Z) × 0.28e-3)

Berechnung für Zoomlevels 0–18 in Python 3.6:

from math import tau

equator_length = 6378137 * tau
{i : equator_length / (256 * 2**i * 0.28e-3) for i in range(19)}
{0: 559082264.0287178,
 1: 279541132.0143589,
 2: 139770566.00717944,
 3: 69885283.00358972,
 4: 34942641.50179486,
 5: 17471320.75089743,
 6: 8735660.375448715,
 7: 4367830.1877243575,
 8: 2183915.0938621787,
 9: 1091957.5469310894,
 10: 545978.7734655447,
 11: 272989.38673277234,
 12: 136494.69336638617,
 13: 68247.34668319309,
 14: 34123.67334159654,
 15: 17061.83667079827,
 16: 8530.918335399136,
 17: 4265.459167699568,
 18: 2132.729583849784}

Pixel Size (m)

Die im Annex E.4 angegebenen (obwohl im XML wohl nicht anzugebenden) Pixel-Grössen in Metern ergeben sich, wenn man aus obiger Formel den mysteriösen 0.28 mm/px-Faktor weglässt:

pixelSize = 6378137 × Tau / (256 × (2^Z))

Berechnung für Zoomlevels 0–18 in Python 3.6:

from math import tau

equator_length = 6378137 * tau
{i : equator_length / (256 * 2**i) for i in range(19)}
{0: 156543.03392804097,
 1: 78271.51696402048,
 2: 39135.75848201024,
 3: 19567.87924100512,
 4: 9783.93962050256,
 5: 4891.96981025128,
 6: 2445.98490512564,
 7: 1222.99245256282,
 8: 611.49622628141,
 9: 305.748113140705,
 10: 152.8740565703525,
 11: 76.43702828517625,
 12: 38.21851414258813,
 13: 19.109257071294063,
 14: 9.554628535647032,
 15: 4.777314267823516,
 16: 2.388657133911758,
 17: 1.194328566955879,
 18: 0.5971642834779395}