天地图-地图投影技术剖析与思考

首先天地图采用国标2000，经纬直投

 

原帖： http://blog.3snews.net/html/88/47188-28181.html

 

 目前国内做数字城市方面的GIS项目、产品和公众应用，常涉及的投影方式主要有：面向局部区域的二维平面高斯投影（横轴墨卡托，横轴圆柱投影）、面向大范围（如全省、全国）的兰伯特投影（圆锥投影）、面向大范围的经纬度等间隔直投，而互联网上的大部分全国公众地图网站（百度、google、搜狗）则是另外一种-----“Web墨卡托”。

 

      在市一级的小范围区域的GIS系统，比如规划局、国土局、建设局的系统，大都使用高斯投影，以便与地方地形图测绘、工程报建一直采用的坐标系相一致。高斯投影的特点也很明显，分带，适合小范围局部，不适合应用于大省、全国等大范围应用，若是强制按某带投影，则远离中央经线的区域的角度、距离、面积全部变形严重。

 

      在大范围，目前好像很多项目都采用“经纬度直投”，------天地图也采用了。

 

      “经纬度等间隔直投”的特点是相同的经纬度间隔在屏幕上的间距相等，程序员应该比较喜欢，没有复杂的坐标变换。但是只是在低纬度地区长度、角度、面积、形状变化比较小，越向高纬度，水平距离变长越大，很小的纬圈都变得和赤道一样长。同时要素自身会变形，长方形会变成上宽下窄的倒梯形。

 

 

 

       经纬度等间隔直投示意图（上传图片时左右两侧各被自动裁掉了一块...）

 

    Web墨卡托较接近与最原始的墨卡托，即正轴墨卡托（投影圆柱的轴心与地球自转轴重合）。（而横轴墨卡托的投影圆柱轴心垂直于地球自转轴）

 

 

 

墨卡托投影     和    横轴墨卡托投影（如高斯等）

 

今天的焦点就在“经纬度等间隔直投”和“Web墨卡托”之间展开。

 

前面已讲，“经纬度等间隔直投”在高纬度地区会变形严重，如果是用于大范围的小比例尺粗略展现，比如看看区域分布、长江、黄河之类的，到是无碍，但是作为城市级的应用，细到街道、建筑物，那就问题很严重了，下左图是【天地图】网站哈尔滨的市区影像，和兴路与文昌街交叉口，这个路口是个非常标准的十字路口，两条路“非常垂直”，而经过“经纬度直投”投影后，两条路成了斜交，房子也如此，直角、长方形的房子全成了菱形，矩形的路网全成了变斜的菱形。 与真实世界差距太大，而作为城市内的应用，对于人的直观感受挑战太大，尤其哈尔滨的人们肯定不接受，呵呵。

 

 

 

 

 

 

    那应该采用什么方式呢？ 高斯投影当然不行，因为是全国的数据，要全范围拼接，不能漏缝，高斯分带的“瓜瓣”列队摆上是不行的。

 

    好了，该“Web墨卡托”出场了。 说实话，在看到天地图之前，我也是很喜欢“经纬度直投”的，曾对Web墨卡托不屑一顾，对其Google Map API 中EPSG:900913这个非正式代号很鄙视，而且看着其变形复杂度比“经纬度直投”更没规律。 可能是之前一直没遇到高纬度地区的大比例尺“经纬度直投”数据，才一直有此观点。 今天看到天地图的高纬度效果，才彻底大悟。

 

 

 

 

                             Web墨卡托投影示意图

 

        再仔细分析“Web墨卡托”的投影方式，他与“原生”墨卡托的区别主要是以圆球代替椭球（这不是本文的讨论重点），他的所有经纬线也是如同“经纬度直投”一样互相垂直，高纬度地区横向也是变得很长，但他与“经纬度直投”的关键区别在于，他的纵向距离也是随着纬度增大而变长！ 横向变大，同时纵向也变大，而且变化比例接近，结果就是只把一个图形“原样放大”了,而形状却没有变化！

 

“经纬度直投”则不然，他的横向随纬度增大而增大，但纵向却一直是等距的，结果就是，------变形了。

 

    也许您还有疑问，“Web墨卡托”虽然形状没变，但是高纬度地区的面积比真实同样放大了很多倍，面积也是变化很严重啊！同一张全中国范围图上，三亚和哈尔滨，选取同样真实面积的区域，在投出来的图上面积相差好多倍，但是他们各自区域中的图形都没变型。   -------这正是我们需要的， 我们是要在同一种投影下既能实现大范围的小比例尺显示，又能在大比例尺下最大限度接近真实世界，您想想，当放大到城市、街道级别时，当前屏幕展示的仅仅是这个小范围，此时您看到的是形状、角度未变化的，符合真实世界的，当您到另一区域，也是如此。您根本“没机会”去同时感受“小三亚”和“大哈尔滨”，还有什么可责怪的呢？ 

 

“Web墨卡托”这种方式投影出的地图，然后切成分级瓦片，同级别的瓦片中，三亚和哈尔滨的比例尺不同，而同比例尺栅格瓦片，是存在于不同的级别中的。 ---这一切仅仅是技术存储上的，与用户的感觉是没有关系的，当您在百度地图、Google地图、mapabc中查看某城市时，面前呈现的就是一个更接近与真实世界的地图，这也是为什么这些公众地图网站采用“Web墨卡托”的原因吧。

 

      对于坐标系和投影方式的选择，有句话可能比较贴切------“没有最好的，只有最合适的”，要看应用场合。

 

    但是现在看来，像这种全国既覆盖范围广、又要细致到城市级小区域大比例尺的应用领域，“Web墨卡托”，大有前途！

 

      相比地方区域中传统使用的高斯投影，这些年来业界也逐渐认识到，随着人类活动范围的扩大，时空缩小，分散、各自独立的坐标系弊端重重，全国统一甚至全球统一的坐标系和投影方式是有必要的，国家2000大地坐标系就是迈出的实质一步。

 

      如果能统一到地心坐标系的三维立体空间中，那是最好的最统一的坐标系，但实际上，并不是所有的场合和应用都适合用三维系统，二维永远不会完全被三维取代，坐标投影将是GIS中一个长期存在话题。

 

     随着国家一些区域城市群、都市圈、经济圈的建立，临近城市间联系越发紧密，各自独立的坐标系和投影，更是不利于城市建设、交通建设乃至经济的发展。

 

    对于大范围交通物流行业，全国一张图，投影方式不变很重要，-----既要看大范围，又要细看到某城市细节。

 

值得一提的还有两个，

 

一是，“Web墨卡托”已被EPSG分配了正式的代号----EPSG:3857，有正式名分了！一些新版本GIS软件中已经支持了 （2009.06发布，其中还有小插曲，2008年最初发布为EPSG:3785，2009.06发布修正，但是很多网站介绍还是写的EPSG:3785，包括一些提供卫星影像的厂商如：东方道尔、天目创新等，大家还是尽快统一吧，否则受麻烦的还是GIS界自己。）

 

二是，灵图的51地图作为一个全国范围互联网地图，也是遗憾的的采用了“经纬度直投”，高纬度地区变形严重。其他的网站还没来的及一一细看。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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发表评论 评论 (36 个评论)

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 08:34

:handshake

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 09:55

这位弟兄算是对投影理解相当深刻的了。 那些所谓学“GIS”"测绘"出身却搞不清楚投影意义的迷糊蛋多了去了

 

回复 举报 maplite 2010-10-15 09:58

写的非常好！有兴趣跳槽吗？站内PM

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 10:35

技术贴

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 12:09

写的灰常不错，06年左右，51ditu推出来时候，俺也是在哈尔滨的地图上才发现灵图的投影问题的，说白了，“经纬度直投”就是根本就没有投影，楼主有心人，比很多学测绘、GIS的糊涂蛋强多了。

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 12:20

你的观点我不能赞同。 首先，投影是将球面上的信息投影到平面上，因而，任何投影都有变形，某种投影只能适合某一种应用或某一种视角。你举得例子，只是某一区域的变形情况，Web墨卡托照样有变形。 其次，我认为用经纬度，方便其他地理信息，尤其是GPS采集信息与地图的叠加，其中不需要进过任何转换，方便用户使用。 第三，Web墨卡托的投影基础是将地球模拟成圆球形，但目前我国基础地理信息数据都是基于椭球体（无论是西安80，还是CGCS2000），两者间的转换必然造成数据精度的损失。 第四，作为公共平台，我觉得今后可将地图投影作为服务内容之一，按需进行。比如，计算面积，可用等积投影，中国区域制图输出可用双标纬圆锥投影等。 google使用的地图投影方式不一定适合我国国情，虽然，由于google的技术先进性，它采用的很多技术都成为了事实标准，但我们仍要保持清醒头脑，不必完全亦步亦趋。

 

回复 举报 洪山坡 2010-10-15 12:48

:handshake 首先感谢您的关注。也同意您的部分观点，特别是与我国传统已有数据的叠加。 1、关于墨卡托的变形：“墨卡托投影没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等，它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。”虽然它也是趋向高纬时面积变大，但是当细致到城市级、街道级时，一个要素（比如一个房子、一块地）其形状是几乎保持与正射投影一致的，大家知道，当比例尺非常大的时候，正射投影与客观实际是基本一样的，就好比一栋建筑的基底面，我们是不会把他再当球面来处理的。

原帖由panda于2010-10-15 12:20:06发表 你的观点我不能赞同。 首先，投影是将球面上的信息投影到平面上，因而，任何投影都有变形，某种投影只能.

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 13:11

所以，“投影”是地图逐渐科学化的产物，很难说哪种投影方式好或不好，选择一种投影，是权衡各种因素，综合考量的结果，世界上没有哪一种投影能够“包打天下”。 Web墨卡托投影是一种等角投影，有其优点，当然也有缺点，比如，高纬地区变形过大，不便于与现有数据叠加等。使用经纬度，本质上对数据没有做投影，这种方式的最大影响在于用户的视觉感受。当然，视觉感受还与另外一个因素相关，那就是“习惯”，比如，目前出版的小比例尺中国地图用的都是双标纬圆锥投影，中国的形状看起来比较饱满，但在世界地图全图上，中国变的有些倾斜，当大家都习惯了如此的视觉效果时，也就不以为然了。客观实在永远是客观实在，只是你看它的角度发生了变化。

 

回复 举报 洪山坡 2010-10-15 13:15

2、Web墨卡托若应用于国土宗地、工程建设，与传统测得、积累的地形图数据转换后叠加，这个确实会有误差的，不太合适。 不过也感谢您的提醒，标准墨卡托也许是值得我们去研究的，也就是基于椭球的墨卡托（EPSG:3395），不过话又说回来，目前阶段在城市建设领域高斯投影应该还会是王道。 3、与GPS数据的叠加：还是要看应用场合，若过类似于公众导航、交通物流监控，WGS84按照WEB墨卡叠上去，误差基本可接受的。不知您是否用过手机上的GPS+GoogleMap导航，就是那种没有内置凯立德、高德地图的那种，直接在线访问GoogleMap的地图来导航，这与您说的GPS叠加是一样的，基本是很好用的。 4、说句实话，我对Google的很多行为也是挺抵触的，包括它的GoogleEarth的政治野心、以及其他的很多等等，我也是非常赞同我们国家自己应该用自己的方式（不论是国家主导还是民营主导）向民众提供自己的地理服务，爆发Google事件前早就发帖质疑GoogleEarth的危险，还曾发帖到处呼吁，以至于被部分网友呼做五毛。 :lol

原帖由panda于2010-10-15 12:20:06发表 你的观点我不能赞同。 首先，投影是将球面上的信息投影到平面上，因而，任何投影都有变形，某种投影只能.

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 13:26

所以，“投影”是地图逐渐科学化的产物，没有哪种投影能够适合所有情况，从而“包打天下”，一种投影的选择，是全面考虑、综合考量的结果。 Web墨卡托投影是一种等角投影，有其优点，当然也有缺点，比如，高纬地区变形过大，不利于与现有数据叠加等。 使用经纬度，本质上对数据没有做投影，其带来的最大困惑在于用户的视觉感受，当然，用户的视觉感受与另一个因素密切相关，那就是“习惯”，比如，目前出版的小比例尺中国地图多采用双标纬圆锥投影，中国看起来比较饱满，但在世界全图上，中国的形状有些偏斜。广大地图读者早已习惯如此。因此，客观实在永远是客观实在，只是你看它的角度发生了变化。 我比较赞同国家测绘局天地图采用经纬度数据，直观、简单，同时利于与各类数据叠加，当然也方便后端的数据处理。 我仍然觉得地图投影是地理信息服务的重要内容之一，如果天地图今后可将此作为服务内容之一，那才能更好地体现其专业与权威性。

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 13:52

3、与GPS数据的叠加：还是要看应用场合，若过类似于公众导航、交通物流监控，WGS84按照WEB墨卡叠上去，误差基本可接受的。不知您是否用过手机上的GPS+GoogleMap导航，就是那种没有内置凯立德、高德地图的那种，直接在线访问GoogleMap的地图来导航，这与您说的GPS叠加是一样的，基本是很好用的。 导航仪上的坐标位置是经过MM（地图匹配）的结果，考虑到天地图作为一个底层的地理信息服务平台，对用户而言，其采集的数据能够在精度范围内直接精确叠加，当然更好、更便捷。 我想，关于地图投影的争论不会停止，目前，在我国很多地方还存在着地方独立坐标系，比如北京。 这些独立坐标系在当前技术条件下，仍然发挥中重要作用。

 

回复 举报 洪山坡 2010-10-15 14:06

“高纬地区变形过大”是您所支持的经纬度直投的缺点， 变形是指形状变化，比如矩形变成菱形，垂直变成斜交， web墨卡托是在高纬面积变大，但是形状是不变的，文中已图文详述。 关于叠加高斯数据，经纬度直投更是不行的。当具体到城市级，因为WEB墨卡托的横纵方向比例保 持与实际近似一直，与大比例尺正射投影近似，而经纬度直投却是横向变化与纵向严重比例失调。 而且，具体到天地图，天地图的宣传、介绍，他的的定位更主要是面向公众应用，是要服务全国范围内的大比例尺城市级应用，既然面向公众，为什么非要用严重变形的投影，而不去采用在城市级 形状未变的WEB墨卡托呢。 不仅仅谷歌，ESRI的ArcGIS nline在线服务地图，以前也是默认经纬度直投，现在也改成默认WEB墨卡托了，在ArcGIS9.3中，还为WEB墨卡托专门设置了编程调用的代号。当然ArcGIS online还支持把他的那套数据提供其他投影，类似与您说的在“线线投影服务转换”，但不是对基础底图实际的在线转换，而是分别切好了不同投影的的瓦片，因为在如今，作为底图服务，还去实时渲染出图的话那就太落后了，但是对一些少数巨量的、变化快的数据，实时投影服务倒是很合适的。

原帖由panda于2010-10-15 13:26:00发表 所以，“投影”是地图逐渐科学化的产物，没有哪种投影能够适合所有情况，从而“包打天下”，一种投影的选.

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 14:46

1.在地图投影中，“变形”主要指“面积”与“角度”，墨卡托投影的特点是角度不变，但面积变形比较大（纬度越高，变形越大）。不是说，“角度”不变的投影就没有变形，“面积”同样是衡量地图投影变形的重要因素。 2.你所说的叠加高斯数据，这正好是使用经纬度数据的缘由之一，对经纬度数据而言，需要投影到高斯的话，只要设置中央经线等参数信息，一次变换即可实现。但使用Web墨卡托的话，你可以做做实验，而且，需要提醒你的是，如果你没法计算得到web墨卡托的“圆球”与“椭球”的转换参数，那么，不可能实现精确叠加。 3.引领潮流大公司的技术选择已经成为业界事实标准，客观存在，也无法否认，久而久之，会让人觉得理所当然，“习惯成自然”。

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 16:29

去看站内消息，加我qq

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 19:59

乖乖，看了上面的留言，貌似都在骂测绘的gis的兄弟们不懂投影，作为一个从测绘行业投身GIS编程队伍中的一人，我实在看不过去，诚然你们说的是事实，但那不是全部啊，你不能一棍子打死一大片啊！我还说学计算机的有人还不会c语言，有人连ip地址都搞不清楚呢，我觉得一个合格的测绘者或者GISER肯定对投影比较熟悉，就我了解的测绘行业的至少能知道大地投影正反算坐标公式的推导，至少还知道GPS怎么解算来达到毫米级精度，说白了投影只是一个计算公式而已罢了。只不过俺们接触的数据少，根本就用不到这些东西，你说能有几人做全国或全球的数据？？

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-15 21:40

仅从视觉需求选择地图投影的话，那么只有“墨卡托投影（不论是Web的还是不是）”最能适合这种“正射”感觉的要求，“高斯”都是无法胜任的。 那么，到底该选则哪种投影方式呢？通过以下比较，相信大家一目了然。 1。墨卡托 好处： （1）高纬度地区城市内视觉效果好（但在大尺度，小比例尺视野下视觉效果并不佳） （2）能够实现全球数据的无缝拼接 坏处： （1）高纬度地区的面积变形过大 （2）不利于与我国现有各类地理空间数据的叠加 （3）不便与用户使用GPS采集数据的叠加 （4）圆球与椭球的转换误差不可避免（为什么要将地球模拟成椭球呢，因为地球的形状似鸭梨，以椭球来表示的话，能够更加精确地描述与表达它） 2。经纬度 好处： （1）能够实现全球数据的无缝拼接 （2）有利于与我国现有各类地理空间数据的叠加 （3）方便与用户使用GPS采集数据的叠加 （4）避免圆球与椭球转换时产生的数据误差 坏处： （1）高纬度地区的城市内地图视觉效果不佳（中低纬度地区城市内地图视觉感受与墨卡托相差无几） 这些思考的引出，大家不能忽略一个大的背景，那就是“将全球地理信息在一张无缝的图上表示的需求”，如果没有这个大背景的话，在城市内，我们完全可以选择地方独立坐标系或者某区域的平面坐标系，这样的话，无论是视觉效果，还是数据精度都得到保证了，可谓两全其美。

 

回复 举报 洪山坡 2010-10-15 22:44

:handshake 经过大家的讨论，原本的认识更进一步，特别是与panda兄的讨论中，虽然有些细节不一致，但真的是受益匪浅！ 也算是抛砖引玉了！ :loveliness:

原帖由panda于2010-10-15 21:40:03发表 仅从视觉需求选择地图投影的话，那么只有“墨卡托投影（不论是Web的还是不是）”最能适合这种“正射”感.

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-16 01:16

天地图做的就是好，国内顶尖质量！

 

回复 举报 maplite 2010-10-16 16:59

原帖由骑马找骂于2010-10-16 01:16:44发表 天地图做的就是好，国内顶尖质量！

是是是，同意同意，您说的对

 

回复 举报 maplite 2010-10-16 17:00

原帖由panda于2010-10-15 21:40:03发表 仅从视觉需求选择地图投影的话，那么只有“墨卡托投影（不论是Web的还是不是）”最能适合这种“正射”感.

严重同意！

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-17 10:39

原帖由Guest于2010-10-15 19:41:33发表

和你一样的感受！

 

回复 举报 caojia07 2010-10-18 09:21

:kiss:

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-18 19:47

:funk:

原帖由caojia07于2010-10-18 09:21:51发表 :kiss:

 

回复 举报 caojia07 2010-10-19 14:49

这是喜爱这篇文章的意思，不要曲解了。。。

原帖由Guest于2010-10-18 19:47:19发表 :funk: 原帖由caojia07于2010-10-18 09:21:51发表 :kiss:

 

回复 举报 洪山坡 2010-10-21 13:38

又仔细看了一下天地图上北京区域的影像，北京区域也是变形很厉害的，由于北京大多是正南正北的建筑，乍一看，好像没变形，但仔细想，根据经纬度直投的特点，横向是被拉伸很严重的，仔细一看，横纵比例的确失调，最明显的，在影像上找个操场，看操场的足球场地划线，中间的圆，已被拉伸成很扁的椭圆。 或者再到亦庄、望京这些路是斜的的区域，还是可以看到，原本垂直的两条路，也像哈尔滨那样，变得不垂直了，与实际斜了很多。

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-25 15:36

科学网博主对“天地图”的评述： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=375920

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-10-27 12:25

关于“天地图”地图投影的另一篇文章 http://www.kexue.com.cn/m/user_content.aspx?id=376987

 

编辑 删除 举报 Guest 2010-11-08 15:00

我只能说LZ很铅笔