Создание тайлового сервера на основе данных OpenStreetMap и mod tile
по адресу http://gis-lab.info/qa/mod_tile.html
Рассматривается процесс создания собственного тайлового сервера на основе данных OpenStreetMap на примере операционной системы CentOS 6.
Введение
Сегодня во многих картографических веб-приложениях в качестве одной из подложек используется слой на базе тайлов OpenStreetMap. Популярность данной подложки обусловлена во-первых политикой предоставления тайлов, позволяющей свободно использовать тайлы OpenStreetMap в своих приложениях, а во-вторых - простотой их подключения в современных веб-клиентах, таких как Leaflet и OpenLayers.
Однако иногда возникает необходимость, чтобы данная подложка функционировала в том числе и при отсутствии Интернета (Интранет-приложения) или, будучи основанной на тех же исходных данных, имела совсем другое представление. Первым решением данной задачи, которое приходит в голову - это скачать необходимые тайлы с сайта OpenStreetMap. Однако это не очень удачное решение, так как политика использования тайлов запрещает их массовое скачивание и, кроме того, данный вариант не позволит настроить собственную символику подложки, отличную от стандартной. Правильным решением данной задачи является получение исходных данных OpenStreetMap и построение на их основе собственного набора тайлов. Решению данной задачи и посвящена данная статья.
Набор тайлов может быть подготовлен различными способами, но наиболее универсальный вариант предоставления доступа к тайлам - это использование тайлового сервера - программного обеспечения, работающего по следующим принципами:
- при запросе тайла - сервер проверяет его наличие в своём кэше, если тайл найден - он возвращается клиенту;
- если тайл не найден, то осуществляется его рендеринг, после чего он сохраняется в кэше и только после этого возвращается клиенту.
Стек программных продуктов тайлового сервера openstreetmap.org
Существуют различные инструменты создания тайловых серверов со своими плюсами и минусами, мы же рассмотрим данный процесс в разрезе стека технологий, применяемых для создания тайлов на сервере openstreetmap.org. Данный стек состоит из 5 компонентов: mod_tile, renderd, Mapnik, osm2pgsql и PostgreSQL/PostGIS.
- mod_tile - это модуль веб-сервера Apache, который отдаёт кэшированные тайлы и определяет нуждаются ли те или иные тайлы в отрисовке (в зависимости от того есть ли они в кэше и не истек ли срок их актуальности).
- renderd представляет собой систему управления очередью запросов на рендеринг, предназначенную для оптимизации нагрузки такими запросами.
- Mapnik - рендерер, превращающий векторные данные в растровые тайлы и используемый renderd.
- osm2pgsql - инструмент загрузки исходных данных OpenStreetMap в базу данных.
- PostgreSQL/PostGIS - собственно СУБД.
Данный стек технологий работает только в UNIX-подобных операционных системах и не работает в Windows, так как использует для связи mod_tile и renderd доменные сокеты Unix.
Если в качестве операционной системы вы планируете использовать Debian или Ubuntu, то вам лучше обратиться к инструкции по развертыванию тайлового сервера для данных операционных систем из пакетов. На том же ресурсе имеется инструкция как развернуть тайловый сервер на Ubuntu (Debian) из исходных кодов. В случае же если ваша операционная система отличается от вышеназванных, то полностью следовать описанным в них шагам не получится, так как некоторые из них довольно Debian-специфичны. Вот тут, возможно, и пригодится данная статья.
Установка программного обеспечения
В качестве базового дистрибутива мы будем рассматривать операционную систему CentOS 6 x86_64, но вся последовательность шагов может быть легко адаптирована и под любой другой Linux-дистрибутив. Большинство из необходимого ПО (mod_tile, renderd, Mapnik, osm2pgsql) для данной операционной системы в репозиториях по-умолчанию отсутствуют (либо устарели), а ставить из исходных кодов не очень удобно.
Поэтому для удобной установки необходимых пакетов лучше использовать специальный репозиторий. Как его подключить и работать с ним будет рассмотрено далее. Руководство по самостоятельной сборке RPM-пакетов можно почитать здесь.
Подключение необходимых репозиториев
Подключаем репозиторий EPEL 6:
yum localinstall http://fedora-mirror01.rbc.ru/pub/epel/6/x86_64/epel-release-6-8.noarch.rpm
Подключаем репозиторий с PostgreSQL:
yum localinstall http://yum.postgresql.org/9.3/redhat/rhel-6-x86_64/pgdg-centos93-9.3-1.noarch.rpm
В файле конфигурации стандартного репозитория, расположенного по адресу /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo в секции [base] и [updates] добавьте строку:
exclude=postgresql*
Подключаем репозиторий enetres, содержащий свежую версию библиотеку Boost C++ 1.55, используемую при сборке Mapnik. Для подключения данного репозитория скопируйте файл в директорию /etc/yum.repos.d/.
Подключаем репозиторий nextgis, содержащий все остальные необходимые компоненты: скопируйте файл в директорию /etc/yum.repos.d/.
Установка PostgreSQL/PostGIS
Устанавливаем PostgreSQL:
yum install postgresql93-server service postgresql-9.3 initdb service postgresql-9.3 start chkconfig postgresql-9.3 on
Устанавливаем PostGIS:
yum install postgis2_93
Установка mod_tile, renderd, Mapnik, osm2pgsql
Устанавливаем основные инструменты:
yum install apache2-mod_tile renderd mapnik mapnik-python osm2pgsql
Создание базы данных и загрузка данных
Создаём суперпользователя от имени которого будет вестись работа с базой данных(назовём его dr, а базу данных gis):
su - postgres -c "createuser dr -s -P -e" su - postgres -c "createdb -E UTF8 -O dr gis"
Загружаем функции PostGIS:
su - postgres -c "psql -d gis -c 'CREATE EXTENSION postgis;'" su - postgres -c "psql -d gis -c 'ALTER TABLE geometry_columns OWNER TO dr;'" su - postgres -c "psql -d gis -c 'ALTER TABLE spatial_ref_sys OWNER TO dr;'"
Загружаем данные в базу. Будем загружать данные на территорию СНГ. Существует несколько способов получения исходных данных OpenStreetMap, один из них - ежедневные выгрузки данных на территорию бывшего СССР в форматах XML и PBF, расположенные здесь.
mkdir ~/src cd ~/src wget http://data.gis-lab.info/osm_dump/dump/latest/local.osm.pbf osm2pgsql -U dr -W --slim -C 1500 --number-processes 4 -d gis --drop local.osm.pbf
При использовании osm2pgsql мы указали объём выделяемой оперативной памяти 1.5 Гб (-C 1500), включили slim-режим (--slim, подробности о режимах загрузки данных можно найти в документации) и активировали загрузку в 4 процесса (--number-processes 4). Кроме того, так как мы не планируем diff-обновления наших данных, то используя ключ --drop, мы автоматически удаляем создаваемые при загрузке данных slim-таблицы, что значительно уменьшает размер нашей базы данных. Загрузка данных будет продолжаться несколько часов, сколько конкретно - зависит от аппаратной част и настроек программного обеспечения, более подробную информацию можно получить в данной презентации.
Настройка стилей Mapnik
В качестве стилей тайлов будем использовать стандартный стиль OpenStreetMap. Скачиваем файлы с описанием стиля:
cd ~/src svn co http://svn.openstreetmap.org/applications/rendering/mapnik mapnik-style
Стандартный файл стилей Mapnik подразумевает, что для создания тайлов, содержащих береговые линии и территории, занимаемые океанами, на мелких масштабах используются отдельные файлы, а не данные из базы, поскольку так гораздо быстрее. Загружаем эти файлы (порядка 400 Мб):
cd ~/src/mapnik-style ./get-coastlines.sh /usr/local/share
При выполнении данной команды вы получите сообщение об ошибке следующего вида:
bunzip2 is not installed in /bin/bunzip2, it is needed by this script
Чтобы узнать, куда у вас в системе установлен bunzip2, выполните команду:
which bunzip2
После чего откройте файл get-coastlines.sh и отредактируйте следующую строку:
BUNZIP2=/bin/bunzip2
В нашем случае она выглядит так:
BUNZIP2=/usr/bin/bunzip2
После этого снова запускайте этот файл. Должен начаться процесс загрузки данных:
./get-coastlines.sh /usr/local/share
После того как все необходимые файлы были получены, необходимо осуществить небольшую правку конфигурационных файлов для адаптации их под свою систему:
cd ~/src/mapnik-style/inc cp fontset-settings.xml.inc.template fontset-settings.xml.inc cp datasource-settings.xml.inc.template datasource-settings.xml.inc cp settings.xml.inc.template settings.xml.inc
Открываем файл settings.xml.inc и приводим его к следующему виду:
<!--
Settings for symbols, the spatial reference of your postgis tables, coastline shapefiles directory, and their prefix names.
-->
<!-- use 'symbols' unless you have moved the symbols directory -->
<!ENTITY symbols "symbols">
<!-- use the '&srs900913;' entity if you have called osm2pgsql without special flags (or with -m); use '&srs4326;' if you have used -l -->
<!ENTITY osm2pgsql_projection "&srs900913;">
<!-- used for 'node in way' ST_DWithin spatial operations -->
<!-- Use 0.1 (meters) when your database is in 900913 -->
<!-- Use 0.000001 (degrees) when your database is in 4326 -->
<!ENTITY dwithin_900913 "0.1">
<!ENTITY dwithin_4326 "0.00001">
<!ENTITY dwithin_node_way "&dwithin_900913;">
<!-- use 'world_boundaries', which is the usual naming for the local folder the coastline shapefiles are unzipped into -->
<!ENTITY world_boundaries "/usr/local/share/world_boundaries">
<!-- use 'planet_osm' unless you have customized your database table prefix using the osm2pgsql 'prefix' flag -->
<!ENTITY prefix "planet_osm">
Открываем файл datasource-settings.xml.inc и приводим его к следующему виду (указав собственный пароль и охват, соответствующий загруженным в базу данным):
<!--
Settings for your postgres setup.
Note: feel free to leave password, host, port, or use blank
-->
<Parameter name="type">postgis</Parameter>
<Parameter name="password">Ijdg83wk</Parameter>
<!-- <Parameter name="host">%(host)s</Parameter> -->
<!-- <Parameter name="port">%(port)s</Parameter> -->
<Parameter name="user">dr</Parameter>
<Parameter name="dbname">gis</Parameter>
<!-- this should be 'false' if you are manually providing the 'extent' -->
<Parameter name="estimate_extent">false</Parameter>
<!-- manually provided extent in epsg 900913 for whole globe -->
<!-- providing this speeds up Mapnik database queries -->
<Parameter name="extent">-20037508.33,4183149.83,20037508.34,17014106.6</Parameter>
Замечание: начиная с августа 2013 года, тайлы на сайте openstreetmap.org отрисовываются не с помощью XML-стиля, а с помощью стиля в формате CartoCSS. Это полностью переписанный на CartoCSS старый XML-стиль, что значительно упрощает его модификацию. Стиль сделан как можно более похожим на старый.
Настройка renderd
Откройте файл, содержащий настройки renderd. Данный файл расположен по адресу /etc/renderd.conf. Приведите его к следующему виду (так как в нашем примере файл стилей Mapnik находится в домашнем каталоге пользователя, то отредактируйте значение параметра XML в соответствии со своим пользователем (в нашем примере имя пользователя в системе и имя пользователя в базе данных совпадают, у вас это могут быть совершенно разные пользователи)):
[renderd]
socketname=/var/run/renderd/renderd.sock
num_threads=4
tile_dir=/var/lib/mod_tile
stats_file=/var/run/renderd/renderd.stats
[mapnik]
plugins_dir=/usr/lib64/mapnik/input
font_dir=/usr/share/fonts/dejavu
font_dir_recurse=1
[default]
URI=/osm_tiles/
TILEDIR=/var/lib/mod_tile
XML=/home/dr/src/mapnik-style/osm.xml
HOST=localhost
CORS=*
TILESIZE=256
Список всех настроек, которые могут быть добавлены в этот файл можно найти здесь.
Создадим директорию в которую будет помещён Unix-сокет для взаимодействия mod_tile и renderd и директорию, в которой будут храниться кэшированные тайлы (соответствующие пути мы прописали в файле renderd.conf):
mkdir /var/run/renderd mkdir /var/lib/mod_tile
Сделаем владельцами данных каталогов пользователя, от имени которого будет запускаться renderd. Пусть в нашем случае это будет системный пользователь dr:
chown dr /var/run/renderd chown dr /var/lib/mod_tile
Настройка mod_tile
Если Apache ещё не установлен, то установите его:
yum install httpd
Перейдите в директорию с настройками Apache /etc/httpd/conf.d и создайте там файл mod_tile.conf следующего содержания:
LoadModule tile_module /usr/lib64/httpd/modules/mod_tile.so
<VirtualHost *:80>
ServerName localhost
ServerAdmin webmaster@localhost
LoadTileConfigFile /etc/renderd.conf
ModTileRenderdSocketName /var/run/renderd/renderd.sock
# Timeout before giving up for a tile to be rendered
ModTileRequestTimeout 0
# Timeout before giving up for a tile to be rendered that is otherwise missing
ModTileMissingRequestTimeout 30
ErrorLog /var/log/httpd/error_log
# Possible values include: debug, info, notice, warn, error, crit,
# alert, emerg.
LogLevel warn
CustomLog /var/log/httpd/access_log combined
</VirtualHost>
Описание всех инструкций, которые могут быть добавлены в этот файл можно найти здесь.
Проверка корректности произведённых настроек
Запускаем renderd вручную:
renderd -f -c /etc/renderd.conf
Если при запуске вы столкнётесь с подобной проблемой, то поставьте в систему пакет proj-epsg:
yum install proj-epsg
Включаем возможность автоматической загрузки Apache после перезагрузки системы:
chkconfig httpd on
При запущенном renderd в отдельной консоли перезапускаем Apache:
service httpd restart
Должно появиться сообщение следующего содержания:
Starting httpd: [Wed Jul 09 19:45:29 2014] [notice] Loading tile config default at /osm_tiles/ for zooms 0 - 20 from tile directory /var/lib/mod_tile with extension .png and mime type image/png
Пробуем открыть какой-нибудь тайл, например:
http://localhost/osm_tiles/0/0/0.png
Если вы получили тайл с первого раза - значит вам повезло. Если нет, то смотрите интерактивные логи запущенного renderd и логи Apache:
tail /var/log/httpd/error_log
Наиболее распространённая ошибка в логах Apache:
socket connect failed for: /var/run/renderd/renderd.sock with reason: Permission denied
Проверьте права доступа к сокету для пользователя, от имени которого запущен Apache:
sudo -u apache ls -lh /var/run/renderd/renderd.sock
В документации по mod_tile сказано, что SELinux блокирует соединение mod_tile и renderd, поэтому должен быть отключен (требуется перезагрузка). Также в случае возникновения подобных проблем попробуйте отключить сервис iptables, если он запущен.
Как только вам удастся получить готовый тайл - останавливайте renderd (Ctrl+C), запущенный в foreground-режиме.
Автоматический запуск renderd
Очевидно, что каждый раз вручную запускать renderd после перезагрузки сервера - это не дело, поэтому нам необходима возможность автоматического запуска renderd. В репозитории mod_tile (renderd входит в его состав) присутствует init-скрипт, выполняющий эту задачу. Однако он Debian-специфичен и нам не подходит. Напишем свой.
Создаём файл /etc/init.d/renderd следующего содержания:
#!/bin/bash
#
# renderd Mapnik rendering daemon
#
# chkconfig: 345 70 30
# description: Mapnik rendering daemon
# processname: renderd
# Source function library.
. /etc/init.d/functions
PATH=/sbin:/usr/sbin:/bin:/usr/bin
DESC="Mapnik rendering daemon"
NAME=renderd
DAEMON=/usr/bin/$NAME
DAEMON_ARGS="-c /etc/renderd.conf"
PIDSOCKDIR=/var/run/$NAME
PIDFILE=$PIDSOCKDIR/$NAME.pid
SCRIPTNAME=/etc/init.d/$NAME
RUNASUSER=dr
start() {
if [ -e $PIDFILE ];
then
echo -n "$NAME already started"
RETVAL=1
else
echo -n "Starting $NAME: "
[ -d "$PIDSOCKDIR" ] || mkdir -p $PIDSOCKDIR && chown $RUNASUSER $PIDSOCKDIR
daemon --user $RUNASUSER $DAEMON $DAEMON_ARGS 2> /dev/null
RETVAL=$?
[ $RETVAL -eq 0 ] && touch $PIDFILE
fi
echo
return $RETVAL
}
stop() {
echo -n "Shutting down $NAME: "
killproc $DAEMON && success || failure
RETVAL=$?
[ $RETVAL -eq 0 ] && rm -f $PIDFILE
echo
return $RETVAL
}
case "$1" in
start)
start
;;
stop)
stop
;;
restart)
stop
start
;;
*)
echo "Usage: $SCRIPTNAME {start|stop|restart}"
exit 1
;;
esac
exit $RETVAL
Делаем его исполняемым:
chmod u+x /etc/init.d/renderd
Запускаем сервис и добавляем его в автозагрузку:
service renderd start chkconfig renderd on
Предварительный рендеринг тайлов
В текущей конфигурации тайлы будут отрисовываться по запросу. То есть если mod_tile не найдёт запрашиваемый тайл в кэше, то он обратится за ним к renderd. Однако процесс отрисовки тайлов требует определенного времени и чтобы не заставлять ждать клиента, запрашивающего тайл, пока этот тайл отрисуется, можно подготовить необходимые тайлы заранее. В состав пакета renderd помимо самого демона входит еще несколько вспомогательных утилит, среди которых render_list. С помощью данной утилиты можно указать масштабный уровень и диапазоны x и y координат тайлов и осуществить предварительный рендеринг. Пример рендеринга тайлов 7 уровня на территорию России:
render_list --socket=/var/run/renderd/renderd.sock --all --max-zoom=7 --min-zoom=7 --min-x=73 --max-x=127 --min-y=18 --max-y=47 --num-threads=4
Пример Python-скрипта расчета координат тайлов по охвату интересующей области:
# Russia bbox
XMIN = 2989951.00
XMAX = 20037508.34
YMIN = 5039930.86
YMAX = 14222184.29
# Sphere radius
R = 20037508.342789244
for z in range(19):
r = 2*R/(256*2**z)
tile_w = tile_h = 256*r
x_min = (R+XMIN)/tile_w
x_max = (R+XMAX)/tile_w
y_min = (R-YMAX)/tile_h
y_max = (R-YMIN)/tile_h
print "render_list --socket=/var/run/renderd/renderd.sock --all --max-zoom=%d --min-zoom=%d --min-x=%d --max-x=%d --min-y=%d --max-y=%d --num-threads=4" % (z, z, int(x_min), int(x_max), int(y_min), int(y_max))
Для получения списка тайлов в прямоугольнике с координатами WGS-84, либо по произвольному полигону обрезки, воспользуйтесь polytiles.py. Пример команды:
./polytiles.py --poly russia.poly --zooms 6 10 --export russia_tiles.lst -q render_list -s /run/renderd/renderd.sock < russia_tiles.lst
Актуальность тайлов
Чтобы поддерживать тайлы в актуальном состоянии, mod_tile должен знать дату на которую были загружены исходные данные в базу PostGIS. В случае, если дата загрузки данных в базу свежее даты создания тайла, то при следующем обращении к этому тайлу он будет отрисован заново. Дата загрузки данных в базу хранится как timestamp файла planet-import-complete, который должен находиться в директории с тайлами:
touch /var/lib/mod_tile/planet-import-complete
Ежеминутное обновление
Чтобы обновлять данные в базе, не обязательно каждый раз обрабатывать всю выгрузку (а то и планету) целиком: достаточно настроить ежеминутное обновление данных базы. На сервер OSM выкладываются файлы изменений за эти периоды, и с помощью osmosis и osm2pgsql их можно накатить на рабочую базу.
Если вы собирали mod_tile из исходников, найдите там файл openstreetmap-tiles-update-expire, иначе скачайте его c github. Поправьте пути в начале файла. Запускать скрипт нужно от имени пользователя, который запускает renderd и прочее (по инструкции выше — dr). Сначала нужно инициализировать рабочие каталоги: запустите
./openstreetmap-tiles-update-expire YYYY-MM-DD
где дата — день, когда был подготовлен загруженный в базу данных дамп. Если будет на день-два раньше — ничего страшного, дублирования не произойдёт. Дальше всё просто: запустите crontab -e от пользователя dr и добавьте строку:
* * * * * /путь/к/openstreetmap-tiles-update-expire
Проверить, что обновление идёт без ошибок, можно по логу в /var/log/tiles/run.log. При полном обновлении базы данных не забывайте отключать вызов скрипта в crontab. Пока он остановлен, можно скачать правильный state.NNN.txt в /var/lib/mod_tile/.osmosis/state.txt, чтобы начать обновление с более ранней даты. Максимальный интервал, на который обновляется база за один вызов скрипта, указывается в файле /var/lib/mod_tile/.osmosis/configuration.txt в ключе maxInterval, по умолчанию — один час.