Организация пространственных данных в веб-среде. Стандарты и подходы

1. Веб-картография

Веб-картографирование — процесс использования карт, которые предоставляются географическими информационными системами (ГИС) в Интернете.

Зачем людям веб-карты?

• Визуализация данных и облегчение работы с ними. Пользователи могут искать объекты, прокладывать маршруты и выполнять другие функции, основанные на местоположении объектов.
• Распространение пространственных данных. С помощью картографических веб-приложений можно организовать загрузку данных и обмен ими, а также совместно использовать их.
• Формирование массива пространственных данных. Пользователи могут применять технологии веб-ГИС для создания массивов географических данных.
• Пространственный анализ данных (реже). В картографических веб-приложениях доступны аналитические функции: картометрические функции, поиск оптимального маршрута, статистический анализ, построение профиля и другие.

1.1. Несколько проблем с веб-картами

Храним «вектор» — рисуем растр. Данные в основе веб-карты векторные, но пользователю чаще всего отдаётся растровая картинка. Сравните: OSM отдаёт растр вместо вектора, тогда как «Кадастровая карта» — настоящая векторная карта:

Как Google Maps стали проще. Упрощение алгоритма использования цифровых карт стало причиной несколько парадоксальной тенденции: карты становятся примитивнее. Более того, современная версия Google Maps менее подробна, чем была шесть лет назад. Карта стала схематичнее, упор сделан на отображение улиц и дорог, а не на гармоничное соотношение разных объектов: это уже не столь нужно, главное — посмотреть, как быстрее добраться по пробкам. Сколько городов исчезло с карты? На одном и том же обзорном уровне в 2010 году отображались 46 городов, в 2016 — только 8, то есть сокращение на 83 %.

1.2. Классификация веб-карт

По классификации Краака 2001 года веб-карты подразделялись на статические, динамические и интерактивные:

Современный взгляд (от NextGIS): к 2022 году существенно расширился круг источников статического электронного картирования. На рынок выпущены продукты, позволяющие пользователям создавать карты, хранить, загружать на сервер и передавать другим агентам; карты создаются в специальных редакторах или написанием сценария. Обязательные рабочие компоненты цифровой картографии — клиентские и серверные приложения. Для работы с динамической информацией требуется постоянное обращение к пространственным БД: пользователь отправляет запросы, делает выборку информации, экспортирует и импортирует необходимые сведения.

QGIS умеет подключаться к тайловым серверам напрямую:

2. Тайлы и тайловые пирамиды

Тайл (от англ. tile — плитка) в картографических сервисах — это одно из множества изображений, на которые разбивается карта. Тайлы отображаются рядом друг с другом, создавая впечатление одной большой картинки. Поскольку большую часть Земли покрывает вода, для карты достаточно хранить и показывать один синий тайл для всего мирового океана — это экономит дисковое пространство.

Пирамида тайлов — набор изображений (тайлов), содержащих геопространственную информацию, которые в совокупности отображают карту земной поверхности и составляют единую иерархию. Весь мир разделяется на несколько уровней масштаба, каждый из которых делится на равные квадраты — получается пирамида тайлов на всю земную поверхность.

2.1. Требования к тайловым пирамидам

Согласно стандартам, по которым работает большинство картографических сервисов, обращение к конкретному тайлу происходит по следующим критериям:

• нумерация масштабов {Z} идёт с нуля; нулевой масштаб представлен одним тайлом со всей планетой. Сейчас можно встретить масштабы 0–18 для спутниковых снимков; иногда до 22 масштаба встречаются снимки с беспилотных летательных аппаратов или очень подробные карты;
• масштаб тайлов кратен двойке: при увеличении масштаба каждый тайл делится на четыре (2 по вертикали и 2 по горизонтали), то есть количество тайлов на слое равно 4ⁿ;
• тайлы нумеруются слева направо {X} и сверху вниз {Y}: начало координат находится в северо-западном углу;
• для сопоставления географических координат и координат тайловой сетки (проецирования круглой Земли на квадраты тайлов) используется проекция Меркатора.

Пример строки для запроса тайла: https://tile.openstreetmap.org/7/63/42.png

2.2. Тренажёр: тайловая пирамида

Подвигайте уровень масштаба Z. Тренажёр показывает сетку уровня, вычисляет по формулам веб-Меркатора номера {X} и {Y} тайла, в который попадает Москва, собирает URL запроса и считает разрешение на экваторе. Обратите внимание, как взрывообразно растёт число тайлов: каждая единица Z — учетверение.

2.3. Растровые тайлы

Растровые тайлы — это растровые изображения, то есть обычные рисунки PNG, JPG или других форматов, расположенные рядом друг с другом и упорядоченные по принципу пирамиды. Этот нехитрый приём позволяет просматривать лишь небольшую часть карты, не загружая её целиком, а читатель в это же время видит одно большое пространство.

Недостатки растровых тайлов:

• нет возможности настроить или добавить новые стили на сайте или в приложении пользователя;
• невозможно изменить текст надписей, показать или скрыть объекты;
• у растровых тайлов достаточно большой размер, поэтому время загрузки при передвижении и масштабировании может быть большим — в зависимости от скорости сетевого соединения;
• масштабирование не будет плавным, а при большом увеличении снизится разрешение изображения.

2.4. Векторные тайлы

Векторные тайлы появились позже растровых. В отличие от растровых, они представляют собой не изображения, а двоичные файлы в формате PBF (protobuf, бинарная альтернатива XML) и содержат всю необходимую информацию для генерации карты на стороне клиента.

Плюсы векторных тайлов:

• векторные веб-карты быстрее загружаются и менее требовательны к производительности сервера;
• можно быстро менять вид нескольких тысяч объектов одновременно;
• масштаб меняется плавно, перемещение по карте проходит без задержек рендера;
• легко поменять шрифт и язык надписей; при повороте карты надписи не поворачиваются вместе с ней и остаются читаемыми;
• объекты могут быть интерактивными, и их можно показать в 3D, чего на растровых картах сложно добиться.

Недостатки: векторные карты более требовательны к устройствам пользователей — рендер происходит на стороне клиента, что приводит к проблемам с производительностью на медленных устройствах.

3. Спецификации OGC

OGC (Open Geospatial Consortium) — международная некоммерческая организация, ведущая деятельность по разработке стандартов в сфере геопространственных данных и сервисов. Цель OGC — разработка и внедрение консенсусных решений в области открытых стандартов для геопространственных данных, обработки данных геоинформационных систем и совместного использования данных.

Основа стандартов OGC состоит из стандартов для интерфейсов, кодирования, профилей, схем приложений и документов с примерами лучшей практики (opengeospatial.org/standards). Референсная модель OGC (ORM) описывает данные стандарты и связи между ними и соответствующими стандартами ISO: она даёт обзор стандартов OGC и служит полезным ресурсом для определения архитектуры конкретных приложений.

3.1. WMS и WMTS

WMS (Web Map Service) — стандарт, который позволяет визуализировать географические данные в интернете. Он не предоставляет собственно геоданные, а только их изображение с привязкой к местности (например, файлы PNG, JPEG или GIF).

В 2010 году OGC разработал новый стандарт — WMTS (Web Map Tiled Service): в его основе те же принципы, что и в WMS, за исключением того, что изображения возвращаются в виде небольших тайлов размером 256 × 256 или 512 × 512 пикселей.

3.2. WFS

WFS (Web Feature Service) — стандарт, который позволяет возвращать векторные геометрии и их атрибуты. Он предоставляет необходимые инструменты для создания интерактивных карт с различными функциями. WFS может быть достаточно ресурсоёмким как на сервере, так и в сети из-за большого объёма передаваемых данных: если WMS возвращает только изображение, которое обычно сжато и имеет относительно небольшой размер, то WFS может возвращать большие объёмы данных в GML — формате пространственных данных, похожем по структуре на XML. GML — довольно старый и не всегда удобный формат, однако последняя версия WFS основана на JSON и более удобна.

3.3. WCS

WCS (Web Coverage Service) — стандарт, аналогичный WFS, но позволяющий запрашивать многомерные растровые данные: спутниковые снимки, аэрофотоснимки и растровые геоданные, которые могут содержать информацию сразу за многие годы и в различных контекстах.

Сервис работает с данными, которые описываются терминами «грид» (grid) или «покрытие» (coverage). Все они имеют схожий формат хранения: прямоугольная область, разделённая по регулярной сетке, в каждой ячейке которой содержится несколько значений — для многоканальных сенсоров число значений в ячейке равно количеству каналов. Как и для WFS, задачи WCS сводятся к унифицированному доступу к различным хранилищам (WKTRaster, RasterLite, rasdaman), базовым операциям чтения-записи и применению фильтров. Форматы — расширенный GML, GeoTIFF, JPEG2000 и другие.

Спецификации трёх сервисов:

• Web Map Service — opengeospatial.org/standards/wms
• Web Feature Service — opengeospatial.org/standards/wfs
• Web Coverage Service — opengeospatial.org/standards/wcs

3.4. Квиз: какой стандарт выбрать?

Шесть задач — четыре стандарта. Для каждой задачи выберите сервис, который решает её наилучшим образом.

4. Подключаем веб-данные в QGIS

Чтобы посмотреть на всё это в действии, подключимся к веб-сервисам через QGIS. Для начала найдём бесплатный источник серверов, откуда можно запросить данные, — например, поисковую систему для сервисов Geoseer. Для подключения к серверам с WMS и WMTS выполните шаги:

1. В верхней панели меню выберите Слой → Добавить слой → Добавить слой WMS/WMTS.

2. В открывшемся окне «Источники данных | WMS/WMTS» нажмите кнопку Создать (для создания нового подключения к сервису).

3. Во всплывающем окне «Создать новое подключение WMS/WMTS» в поле «Название» дайте название подключению, а в поле «URL» вставьте адрес сервера. В «Параметрах» можно настроить режим отображения растровых слоёв из WMS-сервера (WMS DPI-Mode) и соотношение пикселей тайла на стороне сервера WMTS (WMTS server-side tile pixel ratio).

4. Вернитесь к окну «Источники данных | WMS/WMTS» и нажмите Подключиться — загрузятся доступные слои. Выберите нужный слой или несколько слоёв и нажмите «Добавить».

5. Вернитесь на карту — нужные слои подгрузились.

5. Simple Features Specification for SQL

Simple Features Specification for SQL (SQL-MM Part 3) — спецификация Открытого геопространственного консорциума, которая определяет стандартную схему SQL для поддержки хранения, извлечения, запроса и обновления простых геопространственных коллекций.

Спецификация определяет стандартные типы объектов ГИС, функции для манипуляции ими и набор таблиц метаданных. В целях сохранения корректности метаданных такие операции, как создание и удаление столбцов с пространственными данными, осуществляются с помощью специальных процедур, определённых OpenGIS. Существуют две таблицы метаданных OpenGIS: SPATIAL_REF_SYS и GEOMETRY_COLUMNS.

5.1. Таблица SPATIAL_REF_SYS

Таблица SPATIAL_REF_SYS содержит числовые идентификаторы и текстовые описания систем координат, используемых в пространственной базе данных. Она определяется следующим образом:

• SRID — целое число, уникальный идентификатор системы координат (Spatial Referencing System, SRS) в пределах базы данных;
• AUTH_NAME — название стандарта или стандартизирующей организации, являющейся источником информации о данной системе координат; например, правильным значением будет «EPSG»;
• AUTH_SRID — идентификатор системы координат, как он определяется организацией, указанной в AUTH_NAME; в случае EPSG это код проекции EPSG;
• SRTEXT — WKT-представление системы координат.

Информацию о European Petroleum Survey Group (EPSG) и их базе данных систем координат можно найти на epsg.org; подробно о WKT и кодах EPSG — в лекции 4.

5.2. Таблица GEOMETRY_COLUMNS

Таблица GEOMETRY_COLUMNS определяется следующим образом:

• F_TABLE_CATALOG, F_TABLE_SCHEMA, F_TABLE_NAME — составляющие имени таблицы, содержащей столбец геометрии. Термины «catalog» и «schema» заимствованы из Oracle; в PostgreSQL нет аналога для «catalog», поэтому этот столбец остаётся пустым, а для «schema» используется имя схемы PostgreSQL (по умолчанию public);
• F_GEOMETRY_COLUMN — имя столбца геометрии в таблице объектов;
• COORD_DIMENSION — пространственная размерность столбца (2, 3 или 4 измерения);
• SRID — идентификатор системы координат, используемой для геометрии в этой таблице; внешний ключ к таблице SPATIAL_REF_SYS;
• TYPE — тип пространственного объекта.

Контрольные вопросы

• Назовите четыре задачи, которые решают веб-карты, и главную проблему их эволюции.
  Визуализация данных и работа с ними (поиск, маршруты), распространение пространственных данных, формирование массивов геоданных, реже — пространственный анализ. Проблема: карты упрощаются — современный Google Maps менее подробен, чем шесть лет назад (46 городов на обзорном уровне в 2010 году против 8 в 2016, −83 %).
• Как классифицировал веб-карты Краак и что изменилось к 2022 году?
  По Крааку (2001) — статические, динамические и интерактивные. К 2022 году (NextGIS) расширился круг источников статического картирования: продукты для создания, хранения и передачи карт; обязательные компоненты — клиентские и серверные приложения, а динамика требует постоянного обращения к пространственным БД.
• Опишите устройство тайловой пирамиды: нумерация, рост числа тайлов, проекция.
  Уровни Z нумеруются с нуля (Z=0 — один тайл со всей планетой); при каждом шаге тайл делится на четыре, число тайлов уровня — 4ⁿ (сетка 2ⁿ × 2ⁿ); X нумеруется слева направо, Y — сверху вниз от северо-западного угла; для сопоставления координат используется проекция Меркатора. Пример адреса: https://tile.openstreetmap.org/7/63/42.png.
• Сравните растровые и векторные тайлы.
  Растровые — готовые картинки PNG/JPG: просты, но стили не изменить, надписи фиксированы, файлы тяжёлые, зум ступенчатый. Векторные — двоичные PBF-файлы с данными для рендера на клиенте: быстрая загрузка, плавный зум, смена стилей/языка, интерактивность и 3D; цена — требовательность к устройству пользователя.
• Что возвращают WMS, WMTS, WFS и WCS?
  WMS — изображение карты (PNG/JPEG/GIF) с привязкой; WMTS (2010) — то же, но тайлами 256×256 или 512×512; WFS — векторные геометрии с атрибутами (GML, в новых версиях JSON); WCS — многомерные растровые данные-«покрытия» (гриды): снимки, модели рельефа — в GeoTIFF, JPEG2000 и др.
• Почему WFS ресурсоёмок по сравнению с WMS?
  WMS отдаёт готовое сжатое изображение небольшого размера, а WFS передаёт сами данные — геометрии и атрибуты в GML (XML-подобном формате), объём которых может быть очень большим; нагрузка ложится и на сервер, и на сеть.
• Перечислите шаги подключения WMS/WMTS-сервиса в QGIS.
  Слой → Добавить слой → Добавить слой WMS/WMTS → «Создать» → задать название и URL сервера (при необходимости — WMS DPI-Mode и tile pixel ratio) → «Подключиться» → выбрать слои из списка → «Добавить». Источники серверов можно искать через Geoseer.
• Какие таблицы метаданных определяет Simple Features for SQL и что в них хранится?
  SPATIAL_REF_SYS — реестр систем координат: SRID, AUTH_NAME (например, EPSG), AUTH_SRID, SRTEXT (WKT-описание). GEOMETRY_COLUMNS — реестр геометрических столбцов: имя таблицы (catalog/schema/name), имя столбца, размерность, SRID (внешний ключ к SPATIAL_REF_SYS) и тип объекта.

Источники

1. OGC Standards — Open Geospatial Consortium : [сайт]. — URL: https://www.ogc.org/standards/ (дата обращения: 18.08.2026).
2. Kraak, M.-J. Web Cartography: Developments and Prospects / M.-J. Kraak, A. Brown. — London : Taylor & Francis, 2001. — 213 p.
3. Slippy map tilenames — OpenStreetMap Wiki : [сайт]. — URL: https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Slippy_map_tilenames (дата обращения: 18.08.2026).
4. OpenGIS Implementation Specification for Geographic information — Simple feature access — Part 2: SQL option : [сайт]. — URL: https://www.ogc.org/standards/sfs (дата обращения: 18.08.2026).
5. NextGIS — блог о геоинформационных технологиях : [сайт]. — URL: https://nextgis.ru/blog/ (дата обращения: 18.08.2026).