OpenStreetMapの地図情報からタイル画像を生成する

Planet.osmというOpenStreetMapのデータベースのスナップショットがあり、このデータを取得することが可能です。
このデータは更新履歴のない最新の情報のみを含んでおり、週1回のペースで更新されているようです。
ダウンロードできるデータはXML形式で、拡張子は".osm"となっています。
2011年7月の時点の情報によると、全世界のデータは250GBにもなり、bzip2圧縮しても14GBあるそうです。
タイル画像を生成することを考えると、広いエリアを対象とするのはリソース面でかなり厳しくなりますが、限られた狭い地域だけを対象とするなら容量を抑えられます。
ダウンロード用にはミラーサイトもあり、エリアを限定した部分抽出に対応したサイトもあります。
ここでは、部分抽出に対応している以下のミラーサイトを利用しました。

PostGISは、PostgreSQLを拡張した空間データベースです。 取得したPlanet.osmのデータは、まずこのデータベースに変換してロードすることになります。
PostgreSQLのインストーラには、拡張モジュールやツールをインストールするスタックビルダが付属していて、PostGISも簡単にインストールすることができるようになっています。
以下のサイトからインストーラをダウンロードしてください。

ここでは、Windowsの64bit版（postgresql-9.3.0-1-windows-x64.exe）をダウンロードしました。
インストーラを起動して、PostgreSQLをインストールし、完了画面で続けてスタックビルダを起動する指定をして、PostGIS拡張モジュールをインストールするという流れになります。
インストール対象のPostgreSQLは「PostgreSQL 9.3(x64) on port 5432」になります。（ポート番号には「5432」を指定しました）
「Spatial Extensions」のカテゴリから選択するPostGIS拡張モジュールは「PostGIS 2.1 Bundle for PostgreSQL 9.3 (64bit) v2.1.0」でした。
ライセンス許諾画面の次のコンポーネント選択画面では、デフォルトで「Create spatial database」にチェックが入っていないので、チェックを入れてください。（後で作業することもできますが、ここではまとめて作成します）
PostGIS用のデータベース名のデフォルトは「postgis_21_sample」と表示されます。ここでは「postgis_21」としました。

PostGIS用データベースにスーパーユーザで接続するのはよくないので、専用のユーザを作成しました。
postgisというログインロールを作成し、postgis_21データベースのオーナーを「postgis」に変更しておきます。

Planet.osmから取得した地図データを変換して、PostGISデータベースにロードするには、osm2pgsqlというコマンドラインツールを使います。
以下のサイトからosm2pgsql.zipをダウンロードしてください。

「Installation」のセクションの「Windows」の「Binary」の項のところにダウンロードリンクがあります。
ダウンロードしたら、ZIP圧縮を展開します。
ここでは「C:\osm2pgsql」に展開したとします。

osm2pgsqlコマンドは、その動作を制御するスタイルファイルというものを使用します。
ところが、ZIP圧縮を展開してもそんなファイルは入っていないので、別のところから取ってくる必要があります。
以下のサイトからdefault.styleファイルを取得してください。

osm2pgsqlのファイルはGitHubで管理されています。
GitHubを利用して、リポジトリを取得してもよいでしょう。（詳細手順の説明は割愛します）

取得したファイルをそのまま使用するとエラーとなってしまったので、編集が必要でした。
元のファイルを残して、名前を変更してコピーします。
ここでは「C:\workspace\my.style」に配置したとします。

そして、"phstore"というフラグが設定してある151行目から156行目をコメントアウトします。 先頭に"#"記号を入れるとコメント行になります。

osm2pgsqlコマンドのパスとPostGISデータベース接続ユーザのパスワードを環境変数に設定します。

環境変数	設定値
Path	C:\osm2pgsql\x64（既存のPath定義に追加）
pgpassword	{postgisユーザのパスワード}

osm2pgsqlコマンドを実行します。
ここでは、スタイルファイルを配置した「C:\workspace」を作業ディレクトリとし、Planet.osmから取得した地図データも「tokyo-bunkyo.osm.gz」という名称でこのディレクトリに配置したとします。
以下のようにオプションを指定して、コマンドを実行します。 各オプションに設定する値は以下の通りです。

オプション	設定値
-d	PostGISデータベース名
-S	スタイルファイルのパス
-U	接続するPostGISデータベースのユーザ名
-H	接続するPostGISデータベースのホスト名
-P	PostGISデータベースへの接続ポート番号

正常にコマンド実行が終了すると、テーブルが自動的に作成され、地図データが変換されてロードされます。

最終的にはPythonスクリプトでタイル画像を生成するので、Pythonをインストールする必要があります。
この次にインストールするMapnikが対応しているPythonのバージョンが2.7なので、必ずこのバージョンをインストールしてください。
64bit版にも対応していないので、32bit版を選びます。

ここでは「Python 2.7.5 Windows Installer」をダウンロードして、インストールしました。
インストール先のフォルダに「C:\Python27」を指定したとします。
Pythonコマンドのパスを環境変数に設定しておきます。

環境変数	設定値
Path	C:\Python27（既存のPath定義に追加）

Mapnikはオープンソースの地図レンダリングツールです。 PythonスクリプトからMapnikの機能を呼び出して、地図のタイル画像を生成することになります。
以下のサイトからMapnikをダウンロードしてください。

MapnikコマンドのパスとPythonスクリプト用のパスを環境変数に設定します。

環境変数	設定値
MAPNIK_HOME	C:\mapnik-v2.2.0
Path	%MAPNIK_HOME%\bin %MAPNIK_HOME%\lib （既存のPath定義に追加）
PYTHONPATH	%MAPNIK_HOME%\python\2.7\site-packages （既存定義があれば追加、なければ環境変数新規追加）

動作確認のために、デモを実行してみます。まずは、c++のデモです。
コマンドプロンプトを起動して、以下のコマンドを実行します。 デモの実行が成功すると、png、jpg、tif、pdf、svgなどの形式の地図の画像ファイルが生成されます。

次は、Pythonのデモです。
コマンドプロンプトを起動して、以下のコマンドを実行します。 デモの実行が成功すると、png、jpg、tif、pdf、svgなどの形式の地図の画像ファイルが生成されます。

Pythonスクリプトなどを含んだOSM標準Mapnikスタイルファイルをダウンロードします。

ダウンロードしたら、ZIP圧縮を展開します。
ここでは「C:\mapnik-stylesheets-master」に展開したとします。

ここに必要なファイルがすべて揃っているわけではなく、別途海岸線のShapefilesをダウンロードする必要があります。
Linux環境であれば、get-coastlines.shスクリプトを実行すれば一発でセットアップできそうでしたが、Windows環境なので手動で作業する必要があります。（Cygwinなど、シェルスクリプト実行環境があれば利用してください）
手動で作業する場合は、READMEファイルの「Downloading the Coastlines Shapefiles」セクションに記述されている内容が参考になります。
ZIP圧縮以外に、tgz、bz2の圧縮ファイルも解凍する必要があるので、それらに対応した解凍ツールがインストールされていなければ、あらかじめインストールしてください。
以下の5つの圧縮ファイルをダウンロードします。

world_boundaries-spherical.tgz圧縮ファイルを解凍し、生成された「world_boundaries」フォルダを「mapnik-stylesheets-master」フォルダにフォルダごと配置します。
processed_p.tar.bz2圧縮ファイルを解凍し、生成された「processed_p」フォルダの中のファイルを「world_boundaries」フォルダに配置します。フォルダごと配置するのではないので、注意してください。
同様に、shoreline_300.tar.bz2圧縮ファイルを解凍し、ファイルのみを「world_boundaries」フォルダに配置します。
ne_10m_populated_places.zip圧縮ファイルもne_110m_admin_0_boundary_lines_land.zip圧縮ファイルも、同様にファイルのみ取り出して「world_boundaries」フォルダに配置します。
「mapnik-stylesheets-master」フォルダの「world_boundaries」フォルダは、以下のような構成になります。

generate_xml.pyというPythonスクリプトファイルを使用して、構築中の環境に合わせたMapnikスタイルファイルというXML形式の設定ファイルを生成します。
新たに生成するスタイルファイルのファイル名を「my_osm.xml」とします。
generate_xml.pyには、テンプレートXMLファイル名、出力XMLファイル名、各種パラメータを引数として渡します。
テンプレートXMLファイルにはosm.xmlファイルを指定します。
以下のようにパラメータを指定して、スクリプトを実行します。 各パラメータに設定する値は以下の通りです。

パラメータ	設定値
--host	接続するPostGISデータベースのホスト名
--port	PostGISデータベースへの接続ポート番号
--dbname	PostGISデータベース名
--user	接続するPostGISデータベースのユーザ名
--password	接続するPostGISデータベースユーザのパスワード

長い準備段階を経て、やっとタイル画像を生成する処理を実行する段階に来ました。
「mapnik-stylesheets-master」フォルダの中にgenerate_tiles.pyというPythonスクリプトファイルがあり、このスクリプトを実行してタイル画像を生成します。
このファイルをそのまま実行すると、世界やミュンヘンを対象エリアとした地図のタイル画像を生成します。ファイル内のコメントにも記述されているように、対象エリアを指定するためにはPythonスクリプトのこの部分を書き換える必要があります。
その他に環境変数の設定も必要なのですが、どうせスクリプトファイルを書き換えなければならないので、環境変数を参照している部分をリテラルで指定してしまうことにしました。

まず、元のファイルを残して、新しいファイルをコピーします。ここでは「generate_tiles-bunkyo.py」というファイル名でコピーしました。
環境変数参照部分の書き換えは、194行目、196行目、200行目になります。
194行目から200行目の書き換え前は、以下のようになっています。 書き換え後は以下のようになります。 正常に動作する限り、home変数は使用されませんが、元のままでは「HOME」環境変数が設定されていないと、スクリプトがエラー終了してしまうので、適当に設定します。
mapfile変数には、先ほど生成したMapnikスタイルファイル「my_osm.xml」を指定します。
tile_dir変数に「tiles/」と指定したので、生成されるタイル画像は「tiles」フォルダに保存されます。

そして、213行目以下のコードをすべて削除して、保持している地図情報を対象エリアとしてタイル画像を生成する処理を記述します。 minZoomとmaxZommでズームレベルのレンジを指定します。
bboxには、対象エリアの境界となる座標を指定します。
一番最初にPlanet.osmから地図情報を取得した時に指定した境界ボックスの座標を指定してください。
順番は、Left（西の境界の経度）、lower（南の境界の緯度）、Right（東の境界の経度）、top（北の境界の緯度）の順です。
render_tiles関数がタイル画像生成処理を実行する関数になります。最後に指定する地図名は任意ですが、日本語を指定するとエラーになるようなので注意してください。

ついにタイル画像を生成する時が来ました。
「generate_tiles-bunkyo.py」スクリプトを実行してください。パラメータはありません。
成功すれば、「tiles」フォルダにタイル画像が生成されます。
タイル画像ファイルのディレクトリとファイル名は、以下のような構成になっています。
tiles/{ズームレベル}/{X座標}/{Y座標}.png