坐标系及坐标变换

Mars3D 4/1/2023

只要涉及到地图开发，无论如何关于坐标系的概念是逃不掉的，谁让地球它是个球呢。

地球就像个橘子不同的坐标系就是不同的剝橘子的方法

这里就不列举国内常用的坐标系及转换方法，大家可以自行百度。

相关GIS的学习资料(含坐标系)： GIS基础知识-文档 (opens new window)、 GIS基础知识-培训视频 (opens new window)

平台内目前支持坐标系类型可以访问 CRS类 (opens new window)了解详情。

# 1. 目前常用GIS坐标系

1. EPSG:4326坐标系：目前最通用的标准坐标系，平时我们常说的经度纬度多少多少、从GPS 设备、智能手机中取出的数据的坐标系、国际地图提供商使用的坐标系都是这个坐标系。WGS－84坐标系（World Geodetic System）是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。【wgs84需要保证坐标误差最小】
1. EPSG:3857坐标系：Web Mercator（墨卡托）投影坐标系，该坐标系是由Google 最先发明的。在投影过程中，将表示地球的参考椭球体近似的作为正球体处理（正球体半径 R = 椭球体半长轴 a）。由于墨卡托投影当纬度接近两极时，y值趋向于无穷大，那些“懒惰的工程师”为了方便，就把Y轴的取值范围也限定在X轴相同范围，搞个正方形地图，而形成了Web Mercator 投影。目前在互联网上的大部分全国公众地图网站均采用此坐标系。【墨卡托最早用来航海，要保证方向误差最小】
1. EPSG:4490坐标系：2000国家大地坐标系，是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定。
1. CGCS2000 高斯平面投影坐标系(EPSG:4491至EPSG:4554)：支持CGCS2000 Gauss-Kruger Zone 和 CGCS2000 Gauss-Kruger CM 的3度带和6度带平面投影。【各种投影坐标系为了本区域的面积、长度的测量误差最小】

上面的EPSG:后面的数字，是WKID，由EPSG组织统一管理（这样避免重复，也具备唯一性），可以在http://epsg.io/ (opens new window)网站进行查询了解详情。

👉 CGCS2000 与 WGS84 相差几个厘米，对于一般工程测量，可以认为二者是一致的。

👉 坐标系的更详细讲解可以参阅：GIS基础知识培训 (opens new window)

# 1.1 栅格瓦片图层坐标系的设置

瓦片图层支持配置crs参数 (opens new window)来设置坐标系的EPSG值，如crs:"EPSG:4490"

# 2. 国内的偏移坐标系

通常国外使用的是WGS84的坐标系统，中国使用CGCS2000坐标系统以经纬度的形式来表示地球平面上的某一个位置，这应该是国际共识。在我国，出于国家安全考虑，国内所有导航电子地图必须使用国家测绘局制定的加密坐标系统，即将一个真实的经纬度坐标加密成一个不正确的经纬度坐标，我们在业内将前者称之为地球坐标，后者称之为火星坐标(GCJ-02)。当我们使用的数据和服务不同时，就产生了我们时常说的偏移和纠偏的问题。

国内偏移坐标系的分类，我们定义在 ChinaCRS类 (opens new window)

1. WGS84坐标系：地球坐标系，目前国际通用的标准坐标系，通常称呼为标准无偏坐标系。
1. GCJ02 坐标系：在我国，出于国家安全考虑，国内所有导航电子地图必须使用国家测绘局制定的加密坐标系统，即将一个真实的经纬度坐标加密成一个不正确的经纬度坐标，我们在业内将前者称之为地球坐标，后者称之为火星坐标(GCJ-02)。。
1. BAIDU 坐标系：百度(BD09) 偏移坐标系,百度在国测局坐标基础二次加密后形成的坐标系。

# 2.1 栅格瓦片图层偏移坐标系的设置

瓦片图层支持配置chinaCRS参数 (opens new window)来设置ChinaCRS (opens new window)，如chinaCRS:"GCJ02"

# 2.2 矢量数据坐标的加偏或纠偏转换

GeoJSON (opens new window)等图层支持配置chinaCRS参数来设置ChinaCRS (opens new window)，如chinaCRS:"GCJ02"
也提供了PointTrans类 (opens new window) ，可以对百度坐标（BD09）、国测局坐标（火星坐标，GCJ02）、WGS84坐标系的坐标进行互相转换，在加载Graphic数据前按需转换坐标。

# 3. 平台内的坐标及坐标变换

Mars3D平台内涉的几类坐标包括：

坐标系	单位	对象的类名称	说明
屏幕坐标	像素值	Cesium.Cartesian2 (opens new window)	比如鼠标拾取到的坐标值
笛卡尔空间直角坐标	米	Cesium.Cartesian3 (opens new window)	原点是地球几何中心的xyz空间坐标， Cesium原生坐标
地理坐标	弧度值	Cesium.Cartographic (opens new window)	Cesium原生的地理坐标表现形成
地理坐标	角度值	mars3d.LngLatPoint (opens new window)	mars3d扩展的地理坐标经纬度表现形成，并内置了转换算法

# 3.1 笛卡尔空间直角坐标 Cartesian3

笛卡尔空间直角坐标又称为世界坐标，Cesium中用Cartesian3变量表示，可通过new Cesium.Cartesian3(x, y, z)创建，主要是用来做空间位置的变化如平移、旋转和缩放等等，它的坐标原点在椭球的中心

笛卡尔坐标系原点是地球几何中心；
xz平面是中央经线和180度经线组成的平面，其中x轴正方向指向的是中央经线，x轴负方向指向180度经线;
y轴正方向指向东经90度经线，负方向指向西经90度经线。

Cesium平台内的所有用到坐标的地方，坐标均为Cartesian3对象

# 3.2 几种坐标的互转算法

//屏幕坐标 转换为 笛卡尔空间直角坐标
var cartesian3 = mars3d.PointUtil.getCurrentMousePosition(map.scene, windowPosition);

//笛卡尔空间直角坐标 转换为 屏幕坐标
var windowPosition = Cesium.SceneTransforms.wgs84ToWindowCoordinates(map.scene, cartesian3);

//笛卡尔空间直角坐标   转换为   地理坐标(弧度制)
var cartographic = Cesium.Cartographic.fromCartesian(cartesian3);

//笛卡尔空间直角坐标   转换为   地理坐标(经纬度)
var point = mars3d.LngLatPoint.fromCartesian(cartesian3);

//地理坐标(弧度制)   转换为   笛卡尔空间直角坐标
var cartesian3 = Cesium.Cartesian3.fromRadians(lng, lat, height); //lng\lat为弧度制

//地理坐标(经纬度)  转换为  笛卡尔空间直角坐标
var cartesian3 = Cesium.Cartesian3.fromDegrees(longitude, latitude, height);

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或者使用 mars3d.LngLatPoint 作为中间类来做转换

//笛卡尔空间直角坐标   转换为   地理坐标(经纬度) 
var point = mars3d.LngLatPoint.fromCartesian(cartesian3);

//地理坐标(弧度制)   转换为    地理坐标(经纬度) 
var point = mars3d.LngLatPoint.fromCartographic(cartographic); 
 
//point 转换为  其他坐标  
var cartesian3 = point.toCartesian();  //转换为  笛卡尔空间直角坐标 
var cartographic = point.toCartographic();  //转换为  地理坐标(弧度制)

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示例

map.on(mars3d.EventType.click,  function (event) {
    var point = mars3d.LngLatPoint.fromCartesian(event.cartesian); //转为经纬度
    console.log("鼠标单击坐标", point);
});

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# 3.3 支持多种形式坐标参数

为了方便使用者，Mars3D中大部分类的坐标参数均支持传入字符串、数组、经纬度对象或笛卡尔空间直角坐标等多种形式。内部都是统一使用mars3d.LngLatPoint.parse (opens new window)方法做处理的，兼容多种形式的入参。

比如PointEntity类，支持下面多种参数形式，可以按个人习惯选用。

//1.数组形式
var graphic = new mars3d.graphic.PointEntity({
    position: [116.244399, 30.920459, 573.6],
    style: { color: '#ff0000', pixelSize: 10 },
})

//2.字符串形式
var graphic = new mars3d.graphic.PointEntity({
    position: "116.301798, 30.835848, 915",
    style: { color: '#ff0000', pixelSize: 10 },
})

//3.对象形式
var graphic = new mars3d.graphic.PointEntity({
    position: {lng:116.301798, lat:30.835848, alt:915},
    style: { color: '#ff0000', pixelSize: 10 },
})


//4.Cartesian3对象形式
var graphic = new mars3d.graphic.PointEntity({
    position: Cesium.Cartesian3.fromDegrees(116.308659, 30.914005, 59),
    style: { color: '#ff0000', pixelSize: 10 },
})

//5.LatLngPoint对象形式【建议】
var graphic = new mars3d.graphic.PointEntity({
    position: new mars3d.LngLatPoint(116.301798, 30.835848, 915),
    style: { color: '#ff0000', pixelSize: 10 },
})

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# 3.4 空间位置仿射变换处理

平台为我们提供了如下几种很有用的计算机图形学中的变换工具类（如平移旋转缩放）：

Cesium.Cartesian3 (opens new window) ：相当于Point3D
Cesium.Matrix3 (opens new window) ：3x3矩阵，用于描述旋转变换
Cesium.Matrix4 (opens new window) ：4x4矩阵，用于描述旋转加平移变换
Cesium.Quaternion (opens new window) ：四元数，用于描述围绕某个向量旋转一定角度的变换
Cesium.Transforms (opens new window) ：包含将位置转换为各种参考系的功能

坐标需转换到笛卡尔坐标系（Cartesian3对象）后才能进行空间位置仿射变换处理。

栅格瓦片图层相机Camera及视角控制

Mars3D开发教程

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