寫(xiě)在前面

地理位置也就是坐標(biāo)說(shuō)是 GIS 的靈魂不為過(guò)吧，像天氣預(yù)報(bào)、火箭發(fā)射包括地震、火山等事故發(fā)生時(shí)，新聞媒體就會(huì)說(shuō)東經(jīng) XX 度、北緯 YY 度發(fā)生了什么什么，還有高德百度的地圖導(dǎo)航、定位等等都需要用到坐標(biāo)系統(tǒng)，因?yàn)闆](méi)有準(zhǔn)確的位置信息就無(wú)法表達(dá)地物的位置關(guān)系，地圖查詢(xún)分析等等也就無(wú)從談起了

坐標(biāo)系統(tǒng)可以分為地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影坐標(biāo)系統(tǒng)兩大類(lèi)

今天我們就以 Cesium 中要用到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為引，給非專(zhuān)業(yè)小伙伴們普及下坐標(biāo)系統(tǒng)的知識(shí)，概念性較多，不需要全部記住，了解概念即可，我們先來(lái)說(shuō)地理坐標(biāo)系統(tǒng)

地理坐標(biāo)系統(tǒng)也就是Geographic Coordinate System，我們簡(jiǎn)稱(chēng)GCS，它就是由地球表面空間要素產(chǎn)生的定位參照系統(tǒng)，說(shuō)的很官方，接下來(lái)我們漸入

「PS：」 因?yàn)榈貓D相關(guān)太難畫(huà)了，本文中所有圖片皆來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)告知，即刪

認(rèn)知地球

歷史演進(jìn)

我們想要知道某個(gè)地方或物體在哪個(gè)位置肯定需要一個(gè)參照物，而對(duì)于現(xiàn)代生活在地球上的我們知道想要進(jìn)行全球范圍的精準(zhǔn)定位，這個(gè)參照物只能是地球，因?yàn)榍宄牧私獾厍虻男螤畲笮　⒘私馊祟?lèi)與地球的關(guān)系

但是古時(shí)候的人，由于活動(dòng)范圍很小，只看到自己生活地區(qū)的一小塊地方，所以單憑直覺(jué)就產(chǎn)生了種種有關(guān) 天圓地方 的說(shuō)法

比如我國(guó)早在兩千多年前的周代，就有 天圓如張蓋，地方如棋局 的蓋天說(shuō)

古代埃及人認(rèn)識(shí)，天像一塊穹窿形的天花板，地像一個(gè)方盒

俄羅斯人則認(rèn)為大地像一塊盾牌，由三條巨鯨用背馱著，漂游在茫茫的海洋里

印度人也有俄羅斯類(lèi)似的傳說(shuō)，不過(guò)他們認(rèn)為馱著這塊大地的，不是巨鯨，而是站在海龜背上的三頭大象，大象動(dòng)一動(dòng)便會(huì)引起地震

后面古希臘科學(xué)家亞里士多德提出大地是球形，再到后來(lái)1519-1521年麥哲倫環(huán)繞地球航行一周成功，才使得地球這一名字正式的產(chǎn)生

隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是人造地球衛(wèi)星的利用，才使得我們對(duì)地球有了一個(gè)明確的認(rèn)知，地球并不是一個(gè)正球體，而是一個(gè)兩極稍扁、赤道略鼓的不規(guī)則球體，可以成為橢球，地球的平均半徑 6371 千米，極半徑為 6356 千米，兩者相差為 21 千米，最大周長(zhǎng)也就是我們所說(shuō)的赤道約 4 萬(wàn)千米，表面積約 5.1 億平方千米，如下圖

經(jīng)緯度&弧度

地理坐標(biāo)系統(tǒng)是由經(jīng)緯度來(lái)定義的，那么可能有人不知道經(jīng)緯度，so，這里把的經(jīng)緯度也給大家介紹下

經(jīng)度是從本初子午線(xiàn)開(kāi)始向東或向西度量角度，東半球?yàn)檎靼肭驗(yàn)樨?fù)，而緯度是從赤道平面向北或向南度量角度的，赤道北為正，赤道南為負(fù)

哦，對(duì)了本初子午線(xiàn)指的是的在地球上連接南北兩極的經(jīng)線(xiàn)，叫法很多，零經(jīng)線(xiàn)、首子午線(xiàn)、零子午線(xiàn)等都是，赤道則是地球表面隨地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軌跡中周長(zhǎng)最長(zhǎng)的圓周線(xiàn)，劃分了南北半球

本初子午線(xiàn)和赤道就是地理坐標(biāo)系統(tǒng)的基線(xiàn)了，兩者相切，可以理解為 x/y 坐標(biāo)軸，那么我們說(shuō)的經(jīng)度就相當(dāng)于 x 值，緯度就相當(dāng)于 y 值，如下圖

關(guān)于經(jīng)緯度的單位我們可以用度分秒（DMS）、十進(jìn)制度數(shù)（DD），或者我們變成中可能會(huì)用到的弧度（rad）表示

度分秒表示法中，1度等于60分、1分等于60秒（ 1° = 60′ 1′ = 60″ ），比如經(jīng)緯度 45°52′30″，那我們轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制來(lái)表示就是 45.875°（45+52/60+30/3600），除此之外的我們常用的弧度，我們記住兩個(gè)值就可以了，敲重點(diǎn)了

1rad?=?57.2958° 1°??=?0.01745rad

大地水準(zhǔn)面

地球表面有高山、有洼地，是崎嶇不平的，所以當(dāng)我們想要使用數(shù)學(xué)法則來(lái)描述它，就必須找到一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較規(guī)則的數(shù)學(xué)面

我們都知道地球也可以叫水球，因?yàn)榇蟛糠质呛Ｑ?#xff0c;所以，人們假設(shè)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)，那么從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個(gè)連續(xù)、閉合的曲面就是大地水準(zhǔn)面，如下圖

地球橢球體&橢球面

上面我們說(shuō)大地水準(zhǔn)面忽略了地面上的凸凹不平相對(duì)規(guī)則，但由于地球內(nèi)物質(zhì)分布的不均勻，大地水準(zhǔn)面仍是起伏不平，它雖然非常接近一個(gè)規(guī)則橢球體，但并不是完全規(guī)則，還是沒(méi)有辦法用數(shù)學(xué)表達(dá)

我們知道用橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)可生成一個(gè)橢球體，所以為了定量描述地球的形狀而不受起伏的影響，測(cè)量上把與大地水準(zhǔn)面符合的最理想的旋轉(zhuǎn)橢球體叫做 地球橢球體 也叫 參考橢球體，并選擇能用數(shù)學(xué)方程表示的橢球體面作為投影的基準(zhǔn)面，這個(gè)基準(zhǔn)面就稱(chēng)為 參考橢球面，簡(jiǎn)稱(chēng) 橢球面，參考下圖

大地基準(zhǔn)面

上面我們說(shuō)了大地水準(zhǔn)面、地球橢球體橢球面等概念，接下來(lái)我們來(lái)看大地基準(zhǔn)面，簡(jiǎn)單講，我們把地球比作一個(gè)馬鈴薯🥔，因?yàn)樗砻婵涌油萃莸?#xff0c;那么我們上面講的參考橢球體就可以用鴨蛋🥚表示，因?yàn)樗容^規(guī)則，我們隨意挑選一個(gè)方位視角把鴨蛋放在馬鈴薯上，旋轉(zhuǎn)或者放大縮小鴨蛋讓它盡可能的去貼合這個(gè)方位的馬鈴薯面，調(diào)整合適之后在這個(gè)方位視角的鴨蛋面就是大地基準(zhǔn)面（馬鈴薯鴨蛋之說(shuō)取自網(wǎng)上偶然看到的一篇文章，覺(jué)得很貼切，找不到地址了。。）

由于我們可以隨意的旋轉(zhuǎn)馬鈴薯從而變換方位，那么鴨蛋（參考橢球體）也會(huì)隨著馬鈴薯（地球）視角方位進(jìn)行改變，基準(zhǔn)面也就會(huì)隨著地球的某個(gè)方位測(cè)量產(chǎn)生多個(gè)，不同國(guó)家或地區(qū)都會(huì)選擇自己相對(duì)貼合的位置測(cè)量從而產(chǎn)生各自的基準(zhǔn)面，也就出現(xiàn)了我們現(xiàn)在十分頭疼的不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，原因是它們的基準(zhǔn)面不同，如下圖

我們經(jīng)常聽(tīng)到的北京 54 坐標(biāo)系、西安 80 坐標(biāo)系，實(shí)際上是指我國(guó)的兩個(gè)大地基準(zhǔn)面

各個(gè)國(guó)家在馬鈴薯（地球）的所處的位置不同，旋轉(zhuǎn)放大或縮小產(chǎn)生的鴨蛋（參考橢球體）也不同，所以產(chǎn)生了很多參考橢球體，我國(guó)參照前蘇聯(lián)從 1953 年起采用克拉索夫斯基（Krassovsky）橢球體建立了北京 54 坐標(biāo)系，后面在 1978 年采用國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)推薦的1975地球橢球體（IAG75）建立了新的大地坐標(biāo)系——西安 80 坐標(biāo)系

參心坐標(biāo)系

球的測(cè)量肯定要定球心，上面我們說(shuō)過(guò)的鴨蛋也就是參考橢球體，地球的球心不好確定，但參考橢球體是規(guī)則的，那么以參考橢球體的幾何中心為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系就是 參心坐標(biāo)系，而這個(gè)參心指的就是參考橢球的球心我們計(jì)作原點(diǎn) O

參心坐標(biāo)系通常說(shuō)的是參心空間直角坐標(biāo)系（以x，y，z為坐標(biāo)元素）和參心大地坐標(biāo)系（以B，L，H為其坐標(biāo)元素）

參心坐標(biāo)系是在參考橢球內(nèi)建立的 O-XYZ 坐標(biāo)系，原點(diǎn) O 為參考橢球的幾何中心，X軸與赤道面和本初子午面的交線(xiàn)重合，向東為正。Z軸與旋轉(zhuǎn)橢球的短軸重合，向北為正，Y軸與XZ平面垂直構(gòu)成右手系，如下圖

在測(cè)量中，為了處理觀(guān)測(cè)成果和傳算地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)，通常須選取一個(gè) 參考橢球面 作為基本參考面，選一參考點(diǎn)作為大地測(cè)量的起算點(diǎn)（這個(gè)點(diǎn)就是 大地原點(diǎn)），利用大地原點(diǎn)的天文觀(guān)測(cè)量來(lái)確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向

地心坐標(biāo)系

20世紀(jì)50年代之前，一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)都是在使所選擇的參考橢球與其所在地區(qū)的大地水準(zhǔn)面最佳擬合的條件下，按弧度測(cè)量方法來(lái)建立各自的局部大地坐標(biāo)系的

由于當(dāng)時(shí)除海洋上只有稀疏的重力測(cè)量外，大地測(cè)量工作只能在各個(gè)大陸上進(jìn)行，而各大陸的局部大地坐標(biāo)系間幾乎沒(méi)有聯(lián)系，不過(guò)在當(dāng)時(shí)的科學(xué)發(fā)展水平上，局部大地坐標(biāo)系已能基本滿(mǎn)足各國(guó)大地測(cè)量和制圖工作的要求

但是后來(lái)為了研究地球形狀的整體及其外部重力場(chǎng)以及地球動(dòng)力現(xiàn)象，特別是50年代末，人造地球衛(wèi)星和遠(yuǎn)程彈道武器出現(xiàn)后，為了描述它們?cè)诳臻g的位置和運(yùn)動(dòng)，以及表示其地面發(fā)射站和跟蹤站的位置，都必須采用地心坐標(biāo)系，因此，建立全球地心坐標(biāo)系（也稱(chēng)為世界坐標(biāo)系）已成為大地測(cè)量所面臨的迫切任務(wù)，再到后來(lái)就確立了地球的質(zhì)心（也就是世界統(tǒng)一的地球唯一中心點(diǎn)）

這個(gè)背景下以地球 質(zhì)心為原點(diǎn) 建立的空間直角坐標(biāo)系，或以球心與地球質(zhì)心重合的地球橢球面為基準(zhǔn)面所建立的 大地坐標(biāo)系 就誕生了

以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系通常分為地心空間直角坐標(biāo)系（以x，y，z為其坐標(biāo)元素）和地心大地坐標(biāo)系（以B，L，H為其坐標(biāo)元素）

地心坐標(biāo)系是在大地體內(nèi)建立的 O-XYZ 坐標(biāo)系，原點(diǎn)O設(shè)在大地體的質(zhì)量中心，用相互垂直的X，Y，Z三個(gè)軸來(lái)表示，X軸與首子午面與赤道面的交線(xiàn)重合，向東為正，Z軸與地球旋轉(zhuǎn)軸重合，向北為正，Y軸與XZ平面垂直構(gòu)成右手系，和上面參心圖差不多，就不放圖了

到此，相信你對(duì)我們的地球有了一個(gè)新的認(rèn)知，那么接下來(lái)我們介紹幾種常用的坐標(biāo)系

常用坐標(biāo)系

我們這里簡(jiǎn)單介紹 4 個(gè)比較常見(jiàn)的坐標(biāo)系，分別是兩個(gè)我國(guó)早期使用的坐標(biāo)系 北京54、西安80，目前我國(guó)主流的 CGCS2000，和世界常用的地理坐標(biāo)系統(tǒng) WGS84

北京54

新中國(guó)成立以后，我國(guó)采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球參數(shù)（也就是說(shuō)它是一個(gè)參心坐標(biāo)系），并與前蘇聯(lián)1942 年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過(guò)計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為 1954 年北京坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱(chēng)北京 54 坐標(biāo)系

1954 年北京坐標(biāo)系可以認(rèn)為是前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系的延伸，因?yàn)樗脑c(diǎn)不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃

北京54是建國(guó)初，在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件不高時(shí)引蘇聯(lián)的地理坐標(biāo)系統(tǒng)到我國(guó)境內(nèi)的，大地原點(diǎn)都不在我國(guó)境內(nèi)，所以北京54在我國(guó)境內(nèi)有較大偏差，已逐漸廢棄

西安80

1978年4月在西安召開(kāi)全國(guó)天文大地網(wǎng)平差會(huì)議，確定重新定位，建立我國(guó)新的坐標(biāo)系，為此有了1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系，1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系采用地球橢球基本參數(shù)為 1975 年國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第十六屆大會(huì)推薦的數(shù)據(jù)（也是參心坐標(biāo)系）

此坐標(biāo)系的 大地原點(diǎn) 設(shè)在我國(guó)中部的陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱(chēng)1980年西安坐標(biāo)系，也可簡(jiǎn)稱(chēng)西安 80 坐標(biāo)系

它的基準(zhǔn)面采用青島大港驗(yàn)潮站1952－1979年確定的黃海平均海水面（即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），目前也逐漸廢棄了

西安80與北京54

西安80坐標(biāo)系與北京54坐標(biāo)系其實(shí)是一種橢球參數(shù)的轉(zhuǎn)換作為這種轉(zhuǎn)換在同一個(gè)橢球里的轉(zhuǎn)換都是嚴(yán)密的，而在不同的橢球之間的轉(zhuǎn)換是不嚴(yán)密，因此不存在一套轉(zhuǎn)換參數(shù)可以全國(guó)通用的，在每個(gè)地方會(huì)不一樣，因?yàn)樗鼈兪莾蓚€(gè)不同的橢球基準(zhǔn)

北京54和西安80是兩種不同的大地基準(zhǔn)面，不同的參考橢球體，因而兩種地圖下，同一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是不同的，無(wú)論是三度帶六度帶坐標(biāo)還是經(jīng)緯度坐標(biāo)都是不同的，相同的是它們兩個(gè)都已經(jīng)逐漸廢棄了

CGCS2000

從北京54到西安80，隨著情況的變化和時(shí)間的推移，上述兩個(gè)以經(jīng)典測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)的局部大地坐標(biāo)系，已經(jīng)不能適應(yīng)科學(xué)技術(shù)特別是空間技術(shù)發(fā)展，不能適應(yīng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)需要，中國(guó)大地坐標(biāo)系的更新?lián)Q代，是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和科技發(fā)展的客觀(guān)需要

以地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)的地心大地坐標(biāo)系，是21世紀(jì)空間時(shí)代全球通用的基本大地坐標(biāo)系，所以以空間技術(shù)為基礎(chǔ)的地心大地坐標(biāo)系，是中國(guó)新一代大地坐標(biāo)系的適宜選擇

CGCS2000是2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，屬于地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)，此坐標(biāo)系是通過(guò)中國(guó)GPS 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站、 空間大地控制網(wǎng)以及天文大地網(wǎng)與空間地網(wǎng)聯(lián)合平差建立的地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)，2000（中國(guó)）國(guó)家大地坐標(biāo)系以ITRF 97 參考框架為基準(zhǔn), 參考框架歷元為2000.0，全稱(chēng)叫中國(guó)國(guó)家2000地理坐標(biāo)系統(tǒng)，它的英文名字叫 ?China Geodetic Coordinate System 2000

次坐標(biāo)系是目前我國(guó)主流坐標(biāo)系，干說(shuō)這個(gè)坐標(biāo)系你可能不知道，這樣說(shuō)吧，我國(guó)的GPS系統(tǒng)-北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以及國(guó)家發(fā)行的天地圖，用的都是這一套地理坐標(biāo)系統(tǒng)，曉得了嗎

WGS84

WGS84是美國(guó)GPS使用的一個(gè)全球地理坐標(biāo)系統(tǒng)，OSM地圖、谷歌地圖（國(guó)外版）、Landsat系列衛(wèi)星影像圖等均在地理坐標(biāo)系統(tǒng)上使用了這個(gè)，有許多開(kāi)發(fā)地圖的API默認(rèn)是使用WGS84的，

它的全稱(chēng)叫World Geodetic System 1984，我們?cè)诰W(wǎng)上交流的數(shù)據(jù)大部分也都是WGS84的，所以目前世界上使用最廣泛的坐標(biāo)系可能就是WGS84了

我國(guó)的高德、百度等地圖使用的也都是WGS84，只不過(guò)它們都在WGS84基礎(chǔ)上再次加密，在民間叫火星坐標(biāo)系，采用就是大名鼎鼎的GCJ02加密算法，它與真實(shí)的WGS84坐標(biāo)是有誤差的，這個(gè)誤差值并不固定，通常是幾十米到幾百米（百度地圖更狠，在GCJ02的基礎(chǔ)上還做了再次偏移，也就是BD09，我們通常叫百度坐標(biāo)系），至于為什么加密，不用我說(shuō)，你懂的哈

CGCS2000與WGS84

上面提到CGCS2000與WGS84這兩種坐標(biāo)系都是地心坐標(biāo)系，所以CGCS2000的定義與WGS84實(shí)質(zhì)一樣，采用的參考橢球非常接近

但是由于扁率差異引起橢球面上的緯度和高度變化最大達(dá) 0.1mm，在當(dāng)前測(cè)量精度范圍內(nèi)是可以忽略這點(diǎn)差異的，可以說(shuō)兩者相容至cm級(jí)水平，但若是一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)精度達(dá)不到cm水平時(shí)，就不認(rèn)為CGCS2000和WGS84的坐標(biāo)是相容的，反之兩者皆可

常用坐標(biāo)系小結(jié)

來(lái)總結(jié)一下這幾個(gè)常用坐標(biāo)系，由于是介紹常識(shí)上面寫(xiě)的都挺官方，我們總結(jié)的話(huà)就接地氣一點(diǎn)

北京54參心坐標(biāo)系是建國(guó)初在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件不好時(shí)引蘇聯(lián)的地理坐標(biāo)系統(tǒng)到我國(guó)境內(nèi)的，大地原點(diǎn)不在我國(guó)境內(nèi)，所以在我國(guó)境內(nèi)有較大偏差，已逐漸廢棄

西安80參心坐標(biāo)系則是改革開(kāi)放后，技術(shù)稍好，為解決北京54偏差問(wèn)題，為我國(guó)各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展搞的一個(gè)適用于國(guó)內(nèi)的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，現(xiàn)也已逐漸廢棄

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、天地圖都在用的CGCS2000是目前我國(guó)主流，地心坐標(biāo)系

WGS84是一個(gè)源于美國(guó)且世界流通較廣的全球地理坐標(biāo)系統(tǒng)，地心坐標(biāo)系

這張圖不錯(cuò)

先解釋一下，ArcGIS的WKID，我們應(yīng)該都知道ArcGIS，美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所ERSl（EnvironmentalSystems ResearchInstitute）搞的，它們可以說(shuō)是GIS行業(yè)之首

那WKID是什么呢，WKID全稱(chēng)叫Well-known ID，它表示空間參考的ID，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，世界上的坐標(biāo)系太多了，我們把每一個(gè)坐標(biāo)系比作一個(gè)人，北京54、西安80、CGCS2000、WGS84等等都是名字簡(jiǎn)稱(chēng)，全名太長(zhǎng)了，而且可以改名啥的，但是身份證號(hào)是唯一且不變的，這個(gè)身份證號(hào)就是指的WKID，它在空間數(shù)據(jù)的使用、轉(zhuǎn)換、共享等都起到了關(guān)鍵作用，所以記住這幾個(gè)常用的ID有好處

想要查WKID的話(huà)可以去這里查 👉 JavaScript版本^[1]

最后

由于篇幅問(wèn)題，投影坐標(biāo)系統(tǒng)放在了下文中講了

感謝閱讀，歡迎大家點(diǎn)擊下方的卡片關(guān)注「不正經(jīng)的前端」，來(lái)個(gè)霸氣四連吧！！！

參考資料

地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-第九版^[2]

聊聊GIS中的坐標(biāo)系|再版^[3]

Reference

[1]

JavaScript版本: https://developers.arcgis.com/javascript/3/jshelp/pcs.htm

[2]

地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-第九版: https://book.douban.com/subject/31438879/

[3]

聊聊GIS中的坐標(biāo)系|再版: https://www.cnblogs.com/onsummer/p/12081889.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的让GIS三维可视化变得简单-地理坐标系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。