地图（Gis）中的坐标系

地图（Gis）中的坐标系

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前言

最近暂时离开的三维Gis的开发，转身投入到了二维Gis的开发，研究二维地图最好的一点终于不用考虑模型建模，贴图，着色器，粒子特效等三维方面甚至是计算机图形学的东西了，可以更加专注的研究GIS和业务相关。
近期遇到项目要求使用兰伯特和墨卡托坐标系，在和公司遥感算法小妹沟通的时候，发现她对坐标系这块也是一知半解。一开始我还比较疑惑，后来想想，虽然我是学Gis专业，但是真的理解这些也是在工作中慢慢学习和成长的。
这篇文章的主要目的是授人以渔，但是没有比较硬核的科普，主要介绍一下坐标系在地图（Gis）项目中的重要性，如何选择还有如何应用等，我认为比较实用的东西，并且尽量写一些其他文章没有的内容。
下面内容主要以我是我自己的理解，如果出现错误欢迎指正。

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1.什么是坐标系（地图投影）

1.1坐标系介绍

在开发GIS项目或者涉及到GIS相关的模块的时候，我们第一步最主要的是要确定和统一地图数据使用的坐标系，因为坐标系的确定，会影响到后续一系列的功能开发和数据处理。比较严重的情况会导致所有数据重新处理，甚至是项目无法开发。例如，客户或者甲方提供了poi点等数据，却不告诉你坐标系是什么，很有可能和已有的谷歌地图，天地图怎么也对不上，这样的话，后续的功能也无法开发。

那么坐标系这么重要，什么是坐标系呢？坐标系分地理坐标系和投影坐标系。首先我们先分别来看它们概念。

地理坐标系：以参考椭球中心为原点，起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。使用大地的经度纬度和高度来描述位置。

投影坐标系：投影坐标系在二维平面中进行定义。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。投影坐标系始终基于地理坐标系，而后者则是基于球体或旋转椭球体的。
定义可能看不懂，但是只要知道使用经纬度的是地理坐标系，使用米或者千米或者其他单位的就是投影坐标系。

如果不知道经纬度是啥样子，再简单一点，x和y的值在[-180,+180]和[-90,+90]，那么他就是地理坐标系（经纬度为单位），如果x和y的值很大，大概在万或者百万以上，那么这个肯定是投影坐标系。只要不是太离谱的数据基本都适用。

1.2地理坐标系

地理坐标系大家应该好理解就是地球上的点都用经纬度进行表示，为什么在180和90直接呢。直接看下图。

纬线和经线一样是人类为度量方便而假设出来的辅助线，定义为地球表面某点随地球自转所形成的轨迹。任何一根纬线都是圆形而且两两平行。纬线的长度是赤道的周长乘以纬线的纬度的余弦，所以赤道最长，离赤道越远的纬线，周长越短，到了两极就缩为0。从赤道向北和向南，各分90°，称为北纬和南纬，分别用“N”和“S”表示。经度分东西，指南北，纬度分南北，指东西。

上面直接复制于百度百科，大概理解就可以了。那么为什么有不同的地理坐标系呢？因为采用的椭球不同，总所周知，地球是椭圆形的，但是也没有大家网上看的那么离谱（其实地球还是很圆的）。但是这微小的变化导致地球各处的常量不同，例如引力等。所以不同国家不同应用场景就会使用不同坐标系。例如中国一开始是使用北京54，其主要来源于前苏联的克拉索夫斯基椭球，在中国使用的时候经常不准。最后经过发展变成了现在的china2000。当然这里还涉及到大地水准面，椭球等地理信息概念，这里不再讨论，可详见其他更专业的文章。
详细请看：https://blog.csdn.net/qq_34149805/article/details/65634252

1.3投影坐标系

投影坐标系算是老大难，因为投影的方式多，应用场景多，所以导致投影坐标系特别多。理解起来也很费劲。简单来说就是在地心放一个灯泡，然后在我们用一个纸围着地球，然后大陆，海等等地物的影子就投到了纸上，接着展开的纸，这个纸上的地图就是投影坐标系的地图。下图来源https://www.cnblogs.com/onsummer/p/12081889.html

为什么要费那么大劲儿搞投影呢，因为球是无论如何也不能无损的展开成有个平面的，不信话可以拿橘子皮试试。为了大家不人均抱个地球仪，前辈们也是绞尽脑汁，但是大部分投影坐标系有个问题，就是形变，例如上图用的墨卡托投影，南北极会变形严重，南极大陆已经大离谱了，有些无良营销号还拿这种地图来瞎搞科普，实属可恶。 另外上文说的地理坐标系在实际应用（除三维地球外）上会采用经纬度直投的方式来使用。

经纬度直投，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，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。

上文来源https://blog.csdn.net/qq_32202099/article/details/113185220

1.4为什么要有这么多坐标系

比较深入接触到GIS行业后，肯定有疑问，为什么要搞这么多坐标系啊，大家用一个不好吗。这好吗，这确实不好。一个原因在地理坐标系章节有提及。其次不同行业对地图的需求也不同。投影坐标系章节大家知道投影后经常有形变等问题，这会导致面积，两点连线角度，距离等等都会产生很大变化。所以为了满足不同行业需求就产生了很多不一样的坐标系，例如航海航空需要两点连线角度准确，那么他们一般会使用兰伯特等投影，这种投影的学名叫做“等角正轴搁圆锥投影”，看名字就能知道他大概是如何生成的。这种坐标系就可以保证两点连线角度不会因为形变而改变，使用这种坐标系的地图导航，驾驶员设定好行驶角度，就可以“无人驾驶”了。

当然还有很多坐标系都是为了解决一些使用上的问题，所以在跨行业集成的时候，常常出现数据坐标系不同，需要转换的情况。这么的坐标系难道都要学习背下来吗，其实不用的，前人已经帮咱们归纳总结好了，通过EPGS编号基本都可以找到。

1.5什么是EPSG

EPSG的全称是European Petroleum Survey Group，中文名称为欧洲石油调查组织，http://epsg.io。搞石油自然是离不开地图的，而我们从上文知道，地图又分出了这么多坐标系和投影，那么他们为了更好的管理和互相转换这些坐标系的地图数据，于是就给常见和通用的坐标系都赋予了一个唯一的编号，方便管理和查询。例如地图开发常用的坐标系WGS84，编号就是4326，http://epsg.io/4326，giser直接为了方便交流也就称其为epsg4326或者简称为4326。同理更常用的Pseudo-Mercator 坐标系的EPSG编号为3857，http://epsg.io/3857，交流沟通的时候就常称呼其为3587坐标系。

1.6不同坐标系的数据要如何转换

首先要确定数据坐标系和目标坐标系，最好要的两个坐标系的EPSG编号。有的客户或者甲方甚至同事他们不太懂GIS相关知识。很有可能出现下面的情况，最开始的生成数据的人说我这个数据是wgs84 web-Mercator投影的，等他们口口相传到你这里可能就变成了这个是84坐标系的，虽然没传歪，但是84坐标系这么多，就算是试一下常用的也很耽误时间，如果是小众坐标系，那就问题多了去。如果是说是3857的就很明确，如果有问题，直接甩给数据方，让他们确定坐标系后再进行后续工作。

有了明确坐标系后，就可以通过arcgis或者其他GIS软件进行坐标系转换工作了，如果需要动态转换，需要proj4，这个放在下面详细介绍，软件操作就不多介绍了。 如果没有EPSG编号呢，这个分两个情况。

情况一，大家不知道EPSG是什么，坐标系是常用坐标系，那么也是可以在软件里面搜索坐标系直接转换的。
情况二，地方坐标系，火星坐标系，百度坐标系，首先和客户或者数据提供方确定，如果他们说不出来，问问是否为地方坐标系，火星坐标系，还是百度坐标系，如果是这三个坐标系，那么恭喜你进入的地狱模式。

地方坐标系，各个地方为数据保密和精度问题，都会自创一套坐标系，基本上是用3857进行魔改，如果要转的话需要七参数转换或者配准。地方坐标系的七参数一般不会给到，如果给了七参数，建议找GIS大神处理。没有七参数的话，那么剩下还有一个方法的就是配准了。配准需要提供一套对应的坐标，来进行配准，具体过程不具体讨论了。所以尽量还是让数据方提供常见坐标系的数据来进行系统开发。

2021-12-7 补充：年轻了，qgis可以转换火星坐标系和百度坐标系，链接：https://blog.csdn.net/weixin_36123300/article/details/112243349

火星坐标系（GCJ02），国家加密的坐标系，如果范围小也可以配准解决，转换参数别想了，除非你想让国家管吃管住，具体可参考https://www.cnblogs.com/onsummer/p/12081889.html中的4.5. 假坐标系统：GCJ02与BD09。

百度坐标系（BD09），在火星坐标系上又进行了偏移，可以通过配准解决，但是除非必要，能不用就不用，具体参考同上。

其他未知坐标系，没有配准解决不了的，如果有，那么说明你控制点不够多，误差不够小。但是不推荐使用，费时费力，最后成果误差往往还非常大。

总而言之，一定一定要用常见坐标系，所有数据都要往常见坐标系去转换，并且统一坐标系，用了乱七八糟的坐标系，那就是进了深坑。

2.坐标系在项目中的应用

这个章节主要是分享一下我的一些工作经验。正如开头所说，坐标系对于地图相关项目真的是十分重要，希望我这些经验能帮大家少踩一些坑。

2.1地图框架和坐标系的确定

地图框架和坐标系可能会相互影响，例如cesium是个三维gis框架，那么他对地理坐标系支持的最好，例如4326。而leaflet或者openlayer这种二维地图框架对大部分坐标系都支持的很好，那么坐标系的选择范围就会更大一些。
具体选择的话，需要看结合需求和公司的整体规划，但是主要遵循两个原则。
第一，二维地图可以完成的项目或者需求，就不要用三维去做。（三维的坑我能写一车）
第二，尽量选择常见坐标系作为基础坐标系。

2.2 Gis数据坐标系

地图框架和坐标系确定后，项目的基础就已经构建好了。接下来就会开始进入到下面开发，地图开发离不开地理信息数据，数据的坐标系遵循一个原则即可，所有地理信息数据的坐标系全部转换为之前确定好的坐标系。当然最好是能直接提供相同的坐标系的数据。如果需要转换可以查看上文的不同坐标系的数据要如何转换。

2.3 其他可能遇到的问题

1.除非必要，不要更换确定好的坐标系。
2.如果使用互联网底图例如天地图，谷歌等，那么坐标系只能选择4236，3857，4490
3.如果数据上图出现问题，可以借助arcgis，supermap等软件来对错误进行排查。
4.尽量减少地图模块的直接操作的功能尤其是三维，不然交互逻辑的代码会很复杂。

如果还遇到了什么问题，可以在评论区留言，我能解决的，尽量帮你解决。我一直觉得Gis只是计算机科学的一个分支领域，现在却变成了做技术的不了解Gis，觉得Gis太难理解，做Gis的又觉得技术太难太深不想接触。希望我的一点点努力，能帮助大家成为双修（计科和Gis）人才。

3.参考文献

百度百科：地理坐标系
百度百科：经纬度
投影和坐标系统那点事
你必须知道的地理坐标系和投影坐标系
聊聊GIS中的坐标系|再版
聊聊GIS中的坐标系|再版 识别各种数据的坐标系及代码中的坐标系
GIS基础一： GIS中的WGS84地理坐标系和墨卡托投影坐标系