聊聊GIS中的坐标系|再版 详细定义、计算及高程系统
本篇讲坐标系统的详细定义，有关坐标系的变换公式，以及简单说说高程坐标系统。
本文约6000字，阅读时间建议45分钟。硬内容比较多，如有疏漏错误请指出，建议有兴趣的朋友进一步阅读。
作者：博客园/B站/知乎/csdn/小专栏 @秋意正寒
版权：转载请告知，并在转载文上附上转载声明与原文链接（https://www.cnblogs.com/onsummer/p/12082454.html）。
目录
1. 地理坐标系统定义
1.1. 人类对地球形状的描述
人类发现地球是个“赤道稍胖”的椭球后，就打算用一些数学或者物理的手段描述地球的形状。
早期，是用一个叫“大地水准面”的概念描述地球的，这个概念的说法是，地球海水静止后，海水面的形状就是地球的形状（陆地部分则想象海水穿过）。
后来，又提出了“似大地水准面”这一概念，它用的就不是海水面了，而是每个地方的重力线的顶点构成的面。
最后，为了便于数学计算，采用“椭球面”这一数学概念来描述地球形状。
在大地测量学中，“大地水准面”、“似大地水准面”所对应的“正高”、“正常高”是必须熟背于心的，但是在GIS中，本篇只讨论最后一个椭球面。
1.2. 旋转椭球面方程
根据解析立体几何，一个旋转椭球面的方程为：
它是个什么玩意儿呢？它是：
一个椭圆，这个椭圆以短轴为z轴，椭圆心为原点，然后绕z轴旋转而成的曲面。
用平行于xOy平面的面切这个椭球面，相交的形状是一个圆。
1.3. 球面坐标系与经纬度
根据解析立体几何，常用三种三维空间坐标系，笛卡尔空间直角坐标系、球面坐标系、柱面坐标系。
本节回答为什么三维的经纬度只有两个分量的问题。
球面坐标系的定义是怎么样的呢？
球面坐标是三维坐标，自然有三个分量：r、θ、φ
r表示该点到原点的距离；θ表示该点与原点连线和z轴的夹角；φ表示该点与原点连线在xOy平面的投影和x轴的夹角。
那么，经纬度呢？
我们假想x轴是赤道面上这么一根半径所在的直线：这根半径线段与0度经线相交，也即：
同理，y轴、z轴也有类似的定义。
但是，点P（经度，纬度，第三个分量）究竟是什么呢？
其实，经度就是φ，纬度就是θ。
“经度(φ)就是椭球上的点与原点连线这一线段，在赤道平面（xOy平面）上投影与x轴的夹角”——只不过加了东经和西经，并不是0到360°。
“纬度就是椭球上的点与原点连线这一线段，与z轴的夹角的余角。”——赤道上的点与原点连线和z轴的夹角是90度，但是纬度是0度，所以是余角的关系。
所以，第三个分量就十分明确了：r，表示点到原点（椭球心）的距离。但是，为什么平时只用经纬度呢？
那是因为这个r非常大，通常我们谈高度只谈海拔高度，并不谈到地心的距离，所以这个r是被忽略的，这就解释了明明是三维坐标，却只有经纬度两个分量。
如果文字啃得太生硬，可以看下图：
1.4. 椭球与地理坐标系统
根据1.2，得知椭球面方程有两个参数a和b。
根据1.1，得知地球的形状是椭球体，表面是椭球面。
所以，描述地球通常只需要这两个参数即可，我们下一个定义：
定义a为赤道半径，即椭球的长半轴长；
定义b为极半径，即椭球的短半轴长。
赤道半径为地心（椭球心）到赤道任意一点的距离，极半径为地心（椭球心）到任意一个极点的距离。
有这两个参数后，还可以延伸出扁率和偏心率这两个概念。扁率有1个，偏心率则有两个。公式定义如下：
e和e'分别是第一偏心率和第二偏心率。
有了椭球，我们就有了地球的形状。实际上，地理坐标系统（GCS）的定义绝大部分就是由椭球体这两个参数定义的，那么地理坐标系统又是如何定义的呢？
给个公式吧：
GCS = f（椭球体）
f是椭球体的球心对于地球实际中心的偏移。为什么要做偏移？见下节讲解。
1.5. 参心地理坐标系统与地心地理坐标系统
根据1.4，我们知道地理坐标系统是定义在一个数学椭球面上的，具体方程已经给出。
但是还有一个小问题：偏移。
虽然椭球面方程“决定”了地球的形状，但是原点的位置却没有指定。按理说，是统一使用地心才对的，还是处于“懒”，为了方便计算，会直接使用椭球的球心当原点。
事实上，如果地心≠椭球心，椭球面就会比较靠近某个地区，这当然是认为的，这种“靠近”就便于某个国家或地区的计算，因为一旦靠近，很多地方的位置偏差就很小。
我们说，
地心地理坐标系统：椭球的球心=地球的质心
参心地理坐标系统：椭球的球心≠地球的质心
当今为了全球计量需要，有两个我们熟知的地心地理坐标系：WGS84和CGCS2000。
也就是说，北京54和西安80实际上是两个参心坐标系，它们的椭球体分别是克拉索夫斯基1940椭球体和IUGG1975椭球体。
1.6. WKT举例
还是老话，WKT的文章太多了，不再赘述，只摘取一些比较简单的属性讲解。
①WGS84
GEOGCS["WGS 84",
DATUM["WGS_1984",
SPHEROID["WGS 84",6378137,298.257223563,
AUTHORITY["EPSG","7030"]],
AUTHORITY["EPSG","6326"]],
PRIMEM["Greenwich",0,
AUTHORITY["EPSG","8901"]],
UNIT["degree",0.0174532925199433,
AUTHORITY["EPSG","9122"]],
AUTHORITY["EPSG","4326"]]GEOGCS定义了一个地理坐标系统，内部第一个属性是字符串"WGS 84"是这个地理坐标系的名字。
然后，这个地理坐标系统有基准面"DATUM"，基准面下的"SPHEROID"是椭球体的意思，椭球体下的第二个、第三个属性是长半轴长和扁率的倒数。
最后AUTHORITY属性是这个地理坐标系的WKID信息，是4326.
②CGCS2000
GEOGCS["China Geodetic Coordinate System 2000",
DATUM["China_2000",
SPHEROID["CGCS2000",6378137,298.257222101,
AUTHORITY["EPSG","1024"]],
AUTHORITY["EPSG","1043"]],
PRIMEM["Greenwich",0,
AUTHORITY["EPSG","8901"]],
UNIT["degree",0.0174532925199433,
AUTHORITY["EPSG","9122"]],
AUTHORITY["EPSG","4490"]]和WGS84类似，不讲了。
1.7. 常见地理坐标系具体信息
这里不得不说的是，国家2000和WGS84几乎可以兼容，但是得先确定拿到的是真的国家2000的经纬度哦。
轶闻：其实还有一个新北京54坐标系的，WKID是4555，有兴趣的朋友可以查查这个坐标系的历史。
2. 投影坐标系统定义
2.1. 详细定义公式
PCS|x = f1（GCS|经纬度）
PCS|y = f2（GCS|经纬度）
简单解释一下：投影坐标系统的x坐标和y坐标分别由两个计算法则f1和f2计算，需要的参数有经度、纬度、椭球的参数。
2.2. 正算公式与反算公式
根据2.1，查阅资料，以4326做3857投影为例，以及CGCS2000做高斯克吕格投影为例。
不附代码。
① 网络墨卡托投影坐标系统
此处设网络墨卡托的地理坐标系统基于正球体，半径为R，点P的经纬度均为弧度十进制数：
x=R×弧度十进制经度
y=R×ln(tan(π/4 + 弧度十进制纬度/2))
此时，反算公式比较容易推导，不讲了。
② 高斯克吕格基于国家2000投影坐标系统
- 预备参数：椭球长半轴a；椭球扁率f；椭球短半轴b；椭球的第一第二偏心率e1、e2。
- 必备参数：经度J，纬度W
=====分割线=====
第一步，计算辅助量R、t、η、p、X、dL
-
（子午圈（就是所在投影带的*经线圈）半径）
- t=tanB
- p=180*3600/π
-
（子午线弧长）
- dL=B-*经线度数
第二步，计算辅助常量a0、a2、a4、a6、a8和m0、m2、m4、m6、m8：
（这里e就是e1）
第三步，计算xy坐标：
反算公式即从x、y坐标算经纬度坐标。
此处不做展开，有兴趣的朋友可以查阅文末的参考文档。
2.3. 投影带问题
①换带操作
在arcgis中操作，其实只需要重投影即可。
一种方法是使用“投影”工具，将投影坐标系统的数据重新投影到它原本的地理坐标系统上，然后再用一次“投影”工具将地理坐标系统的数据再次投影到目标坐标系统上，完成换带。
另一种方法是直接用“投影”工具，将投影坐标系统的数据投影到目标PCS上即可。
具体操作见第4节。
②高斯克吕格投影坐标的判断
附一个坐标判断例子：
（41569821,4590855），已知在中国境内，已知地理坐标是国家2000.
横坐标是八位数，那么前两位一定是带号，41度带，那么就不可能是六度带，结果是三度带的高斯克吕格投影坐标系统，WKID是4529.
2.4. WKT举例
①网络墨卡托
PROJCS["WGS 84 / Pseudo-Mercator",
GEOGCS["WGS 84",
DATUM["WGS_1984",
SPHEROID["WGS 84",6378137,298.257223563,
AUTHORITY["EPSG","7030"]],
AUTHORITY["EPSG","6326"]],
PRIMEM["Greenwich",0,
AUTHORITY["EPSG","8901"]],
UNIT["degree",0.0174532925199433,
AUTHORITY["EPSG","9122"]],
AUTHORITY["EPSG","4326"]],
PROJECTION["Mercator_1SP"],
PARAMETER["central_meridian",0],
PARAMETER["scale_factor",1],
PARAMETER["false_easting",0],
PARAMETER["false_northing",0],
UNIT["metre",1,
AUTHORITY["EPSG","9001"]],
AXIS["X",EAST],
AXIS["Y",NORTH],
EXTENSION["PROJ4","+proj=merc +a=6378137 +b=6378137 +lat_ts=0.0 +lon_0=0.0 +x_0=0.0 +y_0=0 +k=1.0 +units=m aaa@qq.com +wktext +no_defs"],
AUTHORITY["EPSG","3857"]]- 最外层是PROJCS，即投影坐标系统。
- 第一个属性"WGS 84 / Pseudo-Mercator"是这个坐标系的名称。
- 第二个属性GEOCS是这个投影坐标系统的地理坐标系统，详见上文。
- 第三个属性PROJCTION是投影方法"Mercator_1SP"。
- 第四~七个属性是其他属性，顺序下来是*经线经度、比例因子、假东、假北。
- 第八个属性是单，第九个、第十个属性分别指示X和Y的方向是东和北。
- 第11个属性是此投影坐标系统在PROJ4中的定义。
- 第12个属性是此投影坐标系统在EPSG中的WKID。
②国家2000的高斯投影
以WKID=4547为例：
PROJCS["CGCS2000 / 3-degree Gauss-Kruger CM 114E",
GEOGCS["China Geodetic Coordinate System 2000",
DATUM["China_2000",
SPHEROID["CGCS2000",6378137,298.257222101,
AUTHORITY["EPSG","1024"]],
AUTHORITY["EPSG","1043"]],
PRIMEM["Greenwich",0,
AUTHORITY["EPSG","8901"]],
UNIT["degree",0.0174532925199433,
AUTHORITY["EPSG","9122"]],
AUTHORITY["EPSG","4490"]],
PROJECTION["Transverse_Mercator"],
PARAMETER["latitude_of_origin",0],
PARAMETER["central_meridian",114],
PARAMETER["scale_factor",1],
PARAMETER["false_easting",500000],
PARAMETER["false_northing",0],
UNIT["metre",1,
AUTHORITY["EPSG","9001"]],
AUTHORITY["EPSG","4547"]]- 最外层是PROJCS，即投影坐标系统。
- 第一个属性"CGCS2000 / 3-degree Gauss-Kruger CM 114E"是这个坐标系的名称。
- 第二个属性GEOCS是这个投影坐标系统的地理坐标系统，详见上文。
- 第三个属性PROJCTION是投影方法"Transverse_Mercator"，横轴墨卡托的意思。
- 第四~八个属性是其他属性，顺序下来是起始经线经度、*经线经度、比例因子、假东、假北。
- 第九个属性是单位。
- 第十个属性是此投影坐标系统在EPSG中的WKID。
假东是什么意思？因为如果用赤道和*经线的交点作为原点，投影得到的原始坐标会有负值。
我们记原始坐标为P，则给y坐标（经度方向）加500km后的P'就不会是负值了。
在P'的y坐标值（经线方向）加上带号，例如上图中的红色数字20，就成了带带投影带的坐标。
x方向的坐标一般不变，除非在地方坐标系中有需要，则设置假北（False North）。
2.5. 投影坐标系统的xy和ArcGIS的xy
在测量学的规定中，投影坐标系统上，x方向是指南北方向，y方向则是东西方向；
而在ArcGIS中，x方向则是东西方向，y方向是南北方向，正好颠倒。
所以，获取一份投影坐标系统的数据时，如果是正统的测量数据，那么y值应该在导入ArcGIS时被用于x，x值则用于y。
ps：我一直觉得，x和y只是一个记号，但是人就是那么喜欢用，换ab也可以，用uv也可以，切记：只是个符号，不要把xy的方向绝对化。
3. 高程系统
3.1. 1985国家高程基准
由1.3小节，我们知道球面坐标的第三个参数，点到椭球心（原点）的距离一般来说没什么用，我们听到更多的是“海拔高度”。
什么是海拔高度？珠穆朗玛峰海拔高度8844.43米，这个就是海拔高度。
那这个海拔高度的起点，也就是0米，是以那个地方的地面作为依据的呢？
答案就是，我国的“1985国家高程基准”，它的基准点位于青岛市某个地方，基准点高度为72.260m。
这个72.26m是什么意思呢？就是指，这个地方作为我国所有高程测量的起始值，别处测量的高度再加上72.26m即海拔高度。
3.2. GPS的高度——大地高度vs海拔高度
我们在文章开头1.1小节处，提及了正高和正常高两个概念，我们不引入太多测量学里的定义，但是，我国的高程系统一律是使用“正常高”的。
我们定义一个高度：大地高度H
大地高度是什么意思呢？大地高度就是点到椭球面的距离（沿着法线）。与1.3节定义的到椭球心的距离r相比，少了好长一截（暂停5分钟，读者可以想象一下）。
由卫星测得的高度就是大地高度。
那么大地高度H和我们说的海拔有什么关系呢？我们说我国高程测量是用“正常高”这个方法的，即重力等位面。
而我国的海拔高度又是基于正常高的，记作H'，那么H和H'的关系是：
H=H'+a
这里的a代表的意义是，“正常高”为零时的那个面距离椭球面的高度。回忆一下1.1节的内容，这个面是什么？
“正常高”的面是重力等位面，也即似大地水准面。
我们画个图表示表示：
当然，大地水准面也有类似的图：
此时大地高度H=H'+N，N即大地水准面到椭球面的距离，H'即正高（实际点到大地水准面的距离）。
plus：美国GPS的经纬度定位精度是不错的，但是高程的测量就比较差。
4. 坐标系统转换
4.1. n参数（n=3，4，7）与地理转换
①n参数
一个坐标系统挪到另一个坐标系统，有哪些情况呢？
最简单的是平移原点，只需要给出三个方向的平移量dx、dy、dz，此时，称之为三参数转换；
复杂的还可以加上4个量：三个方向的旋转角度α、β、γ+统一的缩放比例k，称之为七参数转换；
另外，如果是平面上二维坐标系的转换，可以使用两个平移量dx、dy，一个旋转角度α，一个缩放比例k来完成。
举个例子，在珠海既有基于北京54的投影坐标系统又有珠海的自己的地方投影坐标，在这两种坐标之间转换就用到四参数。四参数的获取需要有两个公共已知点。
如果区域范围不大，最远点间的距离不大于 30Km（ 经验值 ） ，这可以用三参数或者四参数。
坐标系统转换的实质就是地理坐标系统的转换，也即椭球体的转换。
当然，在书本上，会有投影坐标系统直接转换而不经过地理坐标系统的算法（《地理信息系统概论》黄杏元第三版），但是那个比较难。
②地理转换
在ArcGIS中，允许用户自定义七参数或三参数来进行不同椭球体（不同地理坐标系）的转换，当然，这些所谓的七参数和三参数的获取，至少在国内的转换中，是保密的，需要到有关部门购买相同位置的三个点的两个不同坐标系下的坐标，然后自己计算得到七参数。
有关这些参数的计算，参考更丰富的测量专业的书籍或者博客。
假设已经获取了七参数/三参数，那么可以在ArcMap中，使用“创建自定义地理(坐标)转换”工具为这些参数定义一个“地理转换”：
方法参数有很多，选一个需要的即可，不懂是啥的可以百度一下（我也没用过，大家可以边搜边试）。
4.2. ArcGIS中重投影操作
使用“地理转换”工具和“投影”/“投影栅格”工具。以下以矢量数据为例，使用“投影工具”。
①PCS1转PCS2（不同GCS）（使用投影工具）
跨不同地理坐标系统的转换，需要使用4.1提及的自定义地理(坐标)转换工具创建地理转换。
②PCS1转PCS2（相同GCS）（使用投影工具）
③PCS1回算PCS1.GCS（使用投影工具）
④GCS1转GCS2
两个不同地理坐标系的数据进行坐标系转换，需要使用4.1提及的自定义地理(坐标)转换工具创建地理转换：
此处为WGS84到国家2000，椭球不同，必须使用地理转换。
我们发现，需要地理转换的操作，通常就意味着跨地理坐标系统转换；
反过来说，跨地理坐标系统的转换就需要一个地理转换定义，也即n参数。
4.3. 前端转换计算之turf.js
turf.js只支持3857和4326的互转。
①使用turf.toWgs84()转换网络墨卡托的xy坐标到经纬度
②使用turf.toMercator()转换经纬度到xy网络墨卡托坐标
4.4. 前端转换计算之openlayers(6.x)
主要功能都在ol/proj模块下，另外在自定义坐标系和转换时会用到第三方库proj4.js，但本文非开发类的博客，不细展开。
①ol/proj.fromLonLat(coordinate, opt_projection)方法
fromLonLat方法将经纬度coordinate转换到目标坐标系opt_projection下，opt_projection默认值是"EPSG:3857"，是“ProjectionLike”类型的参数。
对应方法是ol/proj.toLonLat()。
②ol/proj.get(string)
获取坐标系信息，string是"EPSG:3857"的字符串，必须大写EPSG。这个字符串在openlayer6中叫做“ProjectionLike”类型。
返回一个ol/proj/Projection类型的对象
③ol/proj.addCoordinateTransforms(source, destination, forward, inverse)
添加两个坐标系之间的转换方法，source是待转换坐标系，destination是目标坐标系，二者均以"EPSG:XXXX"的字符串传入。
forward是
④ol/proj.proj4.register(proj4)
让openlayer知道你注册了一个自定义坐标系统。详情请参考proj4.js有关资料。
⑤ol/proj.getTransform(source, destination)
给定待转换坐标系source和目标坐标系destination，返回二者之间的转换方法。
⑥ol/proj.transform(coordinate, source, destination)
将坐标点从source坐标系到destination坐标系转换，source和destination均为"EPSG:xxxx"的字符串（即“ProjectionLike”类型），EPSG四个字母大写。
4.5. 前端转换计算之cesium
cesium只支持4326和3857的互相转换。常用的类有如下几个：
①Cesium.MapProjection类
属性：
ellipsoid。Ellipsoid类型，即椭球。
方法：
project()和unproject()。一个用于将地理坐标转换为投影坐标，一个用于将投影坐标转回地理坐标。详见API。
②Cesium.GeographicProjection(ellipsoid)类
表示地理坐标系统的一个类，使用Ellipsoid类型的参数进行实例化。方法与MapProjection类相同。
默认构造参数是Ellipsoid.WGS84
③Cesium.WebMercatorProjection(ellipsoid)类
表示网络墨卡托投影坐标系统的一个类，使用Ellipsoid类型的参数进行实例化。
默认构造参数是Ellipsoid.WGS84（是不是很奇怪，和上面那个一样）
也拥有project()和unproject()两个方法。详见API。
④Cesium.Cartographic(longitude, latitude, height)类
这个类的意思就是一个地理坐标系统下的点，包括经度longitude，纬度latitude，和大地高度height
静态方法：
- Cesium.Cartographic.fromCartesian(Cartesian3对象, ellipsoid, result)：将投影坐标实例Cartesian3转换到地理坐标系统ellipsoid上，通常ellipsoid参数是Ellipsoid.WGS84。
- Cesium.Cartographic.fromDegrees(经度,纬度,大地高度,result)：创建一个地理坐标点
- Cesium.Cartographic.fromRadians()：同上只不过用弧度制
- Cesium.Cartographic.toCartesian()：将地理坐标转换为投影坐标
⑤Cesium.Cartesian3(x, y, z)类
笛卡尔坐标点，即投影坐标点。
该类也提供了类似Cartographic类的转换方法，详情请自行查阅API文档。
4.6. *硬改数据坐标系的定义
在gis软件中为数据重新定义一个坐标系，这有可能出现极大问题。通常不推荐做这种非精确的转换。
曾经在实践中遇到过类似的问题，就是很多情况下，有的人并不在意坐标系有多么精确，甚至有时候，能把数据强硬编辑挪到喜欢的位置上就罢了。
事实上，在精度不高的情况下（例如一个城市，或者一个城市群这么大级别的区域），直接改动数据的坐标系统的定义，而不是经过精确的地理转换、坐标转换计算，有时候在这么大的尺度下可能看不出来什么。
有个特例，WGS84和国家2000坐标系的改动——因为这两个坐标系的的确确很接近。什么？你跟我说硬改还是很大偏差？
那你考虑一下你是否拿到了真的国家2000坐标，而不是什么所谓的GCJ02和BD09。
碎碎念
又熬夜了，能在2019年结束前重写完坐标系这三篇博客，也算是对自己的一个承诺的实现了。
我知道在大地测量学专业上有更加精妙的计算，有更为严苛的定义和转换，但是，作为一个GIS从业者，能用上测量学和地图学的坐标系统成果，已经游刃有余了。
我希望我的读者也能明白这点，未来加油。
参考文档
[1] 高斯正反算公式：https://wenku.baidu.com/view/5776611cd4d8d15abf234e14.html
[2] 信息工程大学ppt：https://wenku.baidu.com/view/88fb6e0d84868762cbaed50d.html
[3] 扒一扒坐标转换之七参数：http://www.sohu.com/a/318537831_689260
[4] 写给测绘小白，讲解四参数与七参数坐标转换含义及区别：https://rtkhome.com/?p=1210
[5] 布尔莎-沃尔夫转换模型的几何证明：https://wenku.baidu.com/view/11bbf607ba1aa8114431d97f.html