[LBS] 地理坐标系与投影坐标系

2022-06-05  本文已影响0人  nlpming

1. 地理坐标系

经度.png 纬度.png

1.1 地球椭球体(Ellipsoid)

地球表面是一个凸凹不平的表面，而对于地球测量而言，地表是一个无法用数学公式表达的曲面，这样的曲面不能作为测量和制图的基准面。假想一个扁率极小的椭圆，绕大地球体短轴旋转所形成的规则椭球体称之为地球椭球体。 地球椭球体表面是一个规则的数学表面，可以用数学公式表达，所以在测量和制图中就用它替代地球的自然表面。因此就有了地球椭球体的概念。地球椭球体有长半径和短半径之分，长半径(a)即赤道半径，短半径(b)即极半径。f=（a-b）/a为椭球体的扁率，表示椭球体的扁平程度，a、b、f被称为地球椭球体的三要素。【参考自：https://www.whu-cveo.com/2018/07/26/coordinate-projection/】

地球椭球面.png

1.2 大地基准面(Geodetic Datum)

大地基准面（Geodetic datum），设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。此关系能以 7个量来定义（7参数），通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。
我们把地球椭球体和基准面结合起来看，在此我们把地球比做是“马铃薯”，表面凸凹不平，而地球椭球体就好比一个“鸭蛋”，那么按照我们前面的定义，基准面就定义了怎样拿这个“鸭蛋”去逼近“马铃薯”某一个区域的表面，X、Y、Z轴进行一定的偏移，并各自旋转一定的角度，大小不适当的时候就缩放一下“鸭蛋”，那么通过如上的处理必定可以达到很好的逼近地球某一区域的表面。
因此，从这一点上也可以很好的理解，每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG75）建立了我国新的大地坐标系–西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。【参考自：https://www.whu-cveo.com/2018/07/26/coordinate-projection/】

地心大地坐标系.png 参心大地坐标系.png

2. 投影坐标系

地球椭球体表面也是个曲面，而我们日常生活中的地图及量测空间通常是二维平面，因此在地图制图和线性量测时首先要考虑把曲面转化成平面。由于球面上任何一点的位置是用地理坐标（λ，φ）表示的，而平面上的点的位置是用直角坐标（χ，у）或极坐标（r）表示的，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，就是地图投影方法。
每一个投影坐标系统都必定会有Geographic Coordinate System（地理坐标系统）。 那么我们从这一角度上解释一下投影和投影所需要的必要条件：将球面坐标转化为平面坐标的过程便是投影过程；投影所需要的必要条件是：第一、任何一种投影都必须基于一个椭球（地球椭球体），第二、将球面坐标转换为平面坐标的过程（投影算法）。简单的说投影坐标系是地理坐标系+投影过程。

投影坐标系.png

2.1 地图投影分类

地图投影分类.png 地图投影例子.png

2.2 web墨卡托投影

web墨卡托投影.png

对于 Web Map 开发人员来说，最熟悉的应该是 EPSG:4326 (WGS84) 和 EPSG:3857(Pseudo-Mercator)，这又是啥呢？

Web Mercator 最早是由 Google 提出的，当前已经成为 Web Map 的事实标准。但是也许是由于上面”伪“的原因，最初 Web Mercator 被拒绝分配EPSG 代码。于是大家普遍使用 EPSG:900913（Google的数字变形） 的非官方代码来代表它。直到2008年，才被分配了EPSG:3785的代码，但在同一年没多久，又被弃用，重新分配了 EPSG:3857 的正式代码，使用至今。

2.3 地理坐标系，投影坐标系QGIS说明

image.png 
WGS 84
WKT
GEOGCRS["WGS 84",
    DATUM["World Geodetic System 1984",
        ELLIPSOID["WGS 84",6378137,298.257223563,
            LENGTHUNIT["metre",1]]],
    PRIMEM["Greenwich",0,
        ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433]],
    CS[ellipsoidal,2],
        AXIS["geodetic latitude (Lat)",north,
            ORDER[1],
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433]],
        AXIS["geodetic longitude (Lon)",east,
            ORDER[2],
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433]],
    USAGE[
        SCOPE["unknown"],
        AREA["World"],
        BBOX[-90,-180,90,180]],
    ID["EPSG",4326]]
Proj4
+proj=longlat +datum=WGS84 +no_defs
范围
-180.00, -90.00, 180.00, 90.00

WGS 84 / Pseudo-Mercator
WKT
PROJCRS["WGS 84 / Pseudo-Mercator",
    BASEGEOGCRS["WGS 84",
        DATUM["World Geodetic System 1984",
            ELLIPSOID["WGS 84",6378137,298.257223563,
                LENGTHUNIT["metre",1]]],
        PRIMEM["Greenwich",0,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433]],
        ID["EPSG",4326]],
    CONVERSION["Popular Visualisation Pseudo-Mercator",
        METHOD["Popular Visualisation Pseudo Mercator",
            ID["EPSG",1024]],
        PARAMETER["Latitude of natural origin",0,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8801]],
        PARAMETER["Longitude of natural origin",0,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8802]],
        PARAMETER["False easting",0,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8806]],
        PARAMETER["False northing",0,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8807]]],
    CS[Cartesian,2],
        AXIS["easting (X)",east,
            ORDER[1],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
        AXIS["northing (Y)",north,
            ORDER[2],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
    USAGE[
        SCOPE["unknown"],
        AREA["World - 85°S to 85°N"],
        BBOX[-85.06,-180,85.06,180]],
    ID["EPSG",3857]]
Proj4
+proj=merc +a=6378137 +b=6378137 +lat_ts=0 +lon_0=0 +x_0=0 +y_0=0 +k=1 +units=m +nadgrids=@null +wktext +no_defs
范围
-180.00, -85.06, 180.00, 85.06

3. WGS84, GCJ02, BD09坐标转换

转换代码：https://github.com/wandergis/coordtransform

参考资料

张晓东老师博客：
10分钟GIS 【视频教程，适合GIS入门】

https://space.bilibili.com/520898392/channel/seriesdetail?sid=663633
10分钟GIS——Web Mercator vs WGS1984
https://www.bilibili.com/video/BV1454y1b7sX?spm_id_from=333.999.0.0
10分钟GIS——大地坐标系及基准面Datum
https://www.bilibili.com/video/BV1oU4y1h77z?spm_id_from=333.999.0.0
10分钟GIS——投影坐标系
https://www.bilibili.com/video/BV1n64y1i79d?spm_id_from=333.999.0.0
10分钟GIS——坐标转换
https://www.bilibili.com/video/BV1rB4y1c7Ki?spm_id_from=333.999.0.0

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