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

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