Android LBS地图开发：地球地理GPS坐标系经纬度偏移偏差

本文作者：ZhangPhil
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Android LBS地图开发基础知识之地球地理GPS坐标系经纬度偏移偏差

 通常，我们所说的地球地理经纬度是WGS-84坐标系（World Geodetic System-1984 Coordinate System）的经纬度。WGS-84坐标系是在1984年制定的全球坐标系，这个坐标系上的每一点经纬度能够精确映射到地球表面的任意一点。我们中学地理教科书中所讲述的地理坐标系其实就是WGS-84坐标系。WGS-84坐标系为GPS而生，是全球通用的坐标系。
 然而，在中国大陆，所有民用和商用的坐标系都不是WGS-84坐标系，而是GCJ-02坐标系（有些地图供应厂商可能在GCJ-02基础二次深度开发形成自家所有的多形式、多标准的地图坐标系，比如百度经纬度坐标系标准bd09ll）。什么是GCJ-02坐标系呢？GCJ-02坐标系是中国国家测绘局2002年制定的、不同于WGS-84坐标系的、中国大陆境内民用和商用经纬度的坐标系。
 GCJ-02坐标系不同于WGS-84坐标系在什么地方呢？
“GCJ-02是由中国国家测绘局制订的地理信息系统的坐标系统。它是一种对经纬度数据的加密算法，即加入随机的偏差。国内出版的各种地图系统（包括电子形式），必须至少采用GCJ-02对地理位置进行首次加密。”
GCJ-02坐标系最关键的地方，概括起来：如果说WGS-84坐标系是地球地理表面某一点真实的经纬度坐标系，那么GCJ-02坐标系是在WGS-84坐标系基础上，把WGS-84真实的经纬度坐标点随机添加一定经纬度偏移量（偏移量计算算法相当复杂，不是简单的随机）而形成的“不真实”的经纬度坐标系。GCJ-02坐标系因此也被称为火星坐标系。
 WGS-84坐标系到GCJ-02坐标系，最核心的地方就是偏移量的计算和添加，偏移量算法目前没有公开资料，据传闻下面一段算法是WGS-84到GCJ-02处理纬度偏移量的一小节算法：

-100.0 + 2.0 * x + 3.0 * y + 0.2 * y * y + 0.1 * x * y + 0.2 * Math.Sqrt(Math.Abs(x)) + (20.0 * Math.Sin(6.0 * x * pi) + 20.0 * Math.Sin(2.0 * x * pi)) * 2.0 / 3.0 + (20.0 * Math.Sin(y * pi) + 40.0 * Math.Sin(y / 3.0 * pi)) * 2.0 / 3.0 + (160.0 * Math.Sin(y / 12.0 * pi) + 320 * Math.Sin(y * pi / 30.0)) * 2.0 / 3.0

算法相当精巧，该算法目的是保证在WGS-84坐标系添加一定偏移量形成GCJ-02的过程中，输出结果是连续、单调的，每一个WGS-84坐标系的坐标点经过GCJ-02偏移量算法处理后的坐标点是唯一的、一一对应的，只有这样才能保证GCJ-02即便不是真实的经纬度坐标，但是偏移形成后的GCJ-02依然可以完整显示地图。该算法不可逆，无法找到反函数，即便拿到输出结果，也无法推导真实函数工作原理。但是有些人通过GCJ-02偏移量算法输出的值，经过复杂的数量计算和分析，也是可以大概模拟偏移量算法，但还是存在不小误差。
 下图（网传）大体上较为模糊的显示了经过偏移量算法处理后的偏移量值，红色最大，蓝色最小。GCJ-02坐标系将WGS-84坐标系偏移了一定距离，偏移距离在数百米以内，不超过1000米。偏移量越大，意味着定位越不准确，偏移量越小，意味着定位越准确，换言之，偏移量为0即是真实的WGS-84坐标系：
 

中国国内民用商用的地图供应商和服务商，都至少是基于GCJ-02开发的。但GCJ-02明明不是真实的坐标系，那为什么显示的是真实正确的呢？是因为火星坐标系必须配上国内的火星地图，才能在表面上看上去是“真实、正确”的。比如百度，百度地图上给出的某点的坐标系都是处理后的火星坐标系，不是真实的。百度在自己的官方网站（http://developer.baidu.com/map/question.htm）给出了文档加以说明：
 

节选一段百度官方网站的文档内容：

2 坐标体系
2.1 坐标体系是否遵循国家对地理信息保密要求？
百度对外接口的坐标系，都是经过国家测绘局加密处理，符合国家测绘局对地理信息保密要求。
2.3 百度坐标为何有偏移？
国际经纬度坐标标准为WGS-84,国内必须至少使用国测局制定的GCJ-02,对地理位置进行首次加密。百度坐标在此基础上，进行了BD-09二次加密措施,更加保护了个人隐私。百度对外接口的坐标系并不是GPS采集的真实经纬度，需要通过坐标转换接口进行转换。
2.4 如何从其他体系的坐标迁移到百度坐标？
开发者可以使用坐标转换接口进行转换。JavaScript API 、Android SDK、iOS SDK的开发用户可直接调用相应方法进行转换。

百度在其官方网站（http://developer.baidu.com/map/geosdk-android-classv4.0.htm#import.E7.9B.B8.E5.85.B3.E7.B1.BB）给出了自家Android SDK的经纬度标准类型的设置方法：

百度已经开放API接口，提供不同标准的经纬度坐标系转换（纠偏）。百度官方的不同坐标系经纬度转换（纠偏）地址：http://developer.baidu.com/map/changeposition.htm

也有一些其他厂商提供的坐标系转换API接口，比如这个网站提供的GPS火星坐标转换纠偏接口：
 http://www.zdoz.net/apiList.html

 关于经纬度偏移偏差，还有一个重要情况需要在LBS开发时候引起注意，是关于GPS硬件模组本身的，分两类情况，黑盒测试发现，据推测也许应该存在（真实情况有待进一步论证）：
（1）中国大陆境内经过正规行货渠道发售的智能手机。这类手机自带的GPS硬件模组，返回的GPS经纬度值不是真实的，也是经过一定偏移量算法处理后的经纬度。这是因为GPS模组在硬件级别的偏移量处理导致。这类国内行货手机的GPS模组在收到GPS卫星返回的真实WGS-84坐标系经纬度后，执行偏移量算法处理成GCJ-02经纬度之后，此时才将GCJ-02经纬度返回给上层软件系统。
（2）国外发售的手机（或者水货），不是国家正规途径许可的手机。由于这类智能手机目标市场不是中国，自身的GPS硬件模组收到WGS-84坐标系经纬度后不做任何偏移量处理，直接返回给上层软件，那么这种情况下，这类手机得到的经纬度是真实的WGS-84坐标系经纬度。但是，如果在中国大陆境内使用这类手机，把底层GPS硬件模组返回的真实WGS-84经纬度交给国内厂商的地图直接定位，也是会出现偏差，原因是国内地图厂商的地图是基于火星经纬度坐标系的！如果不做经纬度转换，国内的地图直接将真实的WGS-84坐标系经纬度误以为是火星坐标系经纬度进行定位，当然会出现偏差！