天地图-地图投影技术剖析与思考【转】

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国家基础地理信息公共服务平台“天地图”网站再次开通，作为业内一卒，小弟赶紧登陆景仰。

矢量、影像、三维，界面、速度，都非常不错。

夸得话就不多说了，谈点发现和想法。

看我的标题大家也许已经诧异了：他的地图投影？仔细一看就能看出来，不就是按照经度、纬度等间隔直接平面投影吗？ 就如同在Arcmap中直接加载WGS84的经纬度数据，再平常不过了。 是的， 的确如此，我的思考就由此展开。

小弟我学计算机出身，毕业那年带着一些兴趣临时入行GIS，5年走来“越陷越深”，与空间投影的“纠结”伴随着工作从未停止过。 每每经历一次坐标系、投影方式的深入，都觉得原来以前的认识太肤浅了，总结起来是：用了三、四年才真正深入理解了坐标系和投影。

目前国内做数字城市方面的GIS项目、产品和公众应用，常涉及的投影方式主要有：面向局部区域的二维平面高斯投影（横轴墨卡托，横轴圆柱投影）、面向大范围（如全省、全国）的兰伯特投影（圆锥投影）、面向大范围的经纬度等间隔直投，而互联网上的大部分全国公众地图网站（百度、google、搜狗）则是另外一种-----“Web墨卡托”。

在市一级的小范围区域的GIS系统，比如规划局、国土局、建设局的系统，大都使用高斯投影，以便与地方地形图测绘、工程报建一直采用的坐标系相一致。高斯投影的特点也很明显，分带，适合小范围局部，不适合应用于大省、全国等大范围应用，若是强制按某带投影，则远离中央经线的区域的角度、距离、面积全部变形严重。

在大范围，目前好像很多项目都采用“经纬度直投”，------天地图也采用了。

“经纬度等间隔直投”的特点是相同的经纬度间隔在屏幕上的间距相等，程序员应该比较喜欢，没有复杂的坐标变换。但是只是在低纬度地区长度、角度、面积、形状变化比较小，越向高纬度，水平距离变长越大，很小的纬圈都变得和赤道一样长。同时要素自身会变形，长方形会变成上宽下窄的倒梯形。

 

经纬度等间隔直投示意图（上传图片时左右两侧各被自动裁掉了一块...）

Web墨卡托较接近与最原始的墨卡托，即正轴墨卡托（投影圆柱的轴心与地球自转轴重合）。（而横轴墨卡托的投影圆柱轴心垂直于地球自转轴）

 

墨卡托投影     和    横轴墨卡托投影（如高斯等）

今天的焦点就在“经纬度等间隔直投”和“Web墨卡托”之间展开。

前面已讲，“经纬度等间隔直投”在高纬度地区会变形严重，如果是用于大范围的小比例尺粗略展现，比如看看区域分布、长江、黄河之类的，到是无碍，但是作为城市级的应用，细到街道、建筑物，那就问题很严重了，下左图是【天地图】网站哈尔滨的市区影像，和兴路与文昌街交叉口，这个路口是个非常标准的十字路口，两条路“非常垂直”，而经过“经纬度直投”投影后，两条路成了斜交，房子也如此，直角、长方形的房子全成了菱形，矩形的路网全成了变斜的菱形。 与真实世界差距太大，而作为城市内的应用，对于人的直观感受挑战太大，尤其哈尔滨的人们肯定不接受，呵呵。

 

 

 

那应该采用什么方式呢？ 高斯投影当然不行，因为是全国的数据，要全范围拼接，不能漏缝，高斯分带的“瓜瓣”列队摆上是不行的。

好了，该“Web墨卡托”出场了。 说实话，在看到天地图之前，我也是很喜欢“经纬度直投”的，曾对Web墨卡托不屑一顾，对其Google Map API 中EPSG:900913这个非正式代号很鄙视，而且看着其变形复杂度比“经纬度直投”更没规律。 可能是之前一直没遇到高纬度地区的大比例尺“经纬度直投”数据，才一直有此观点。 今天看到天地图的高纬度效果，才彻底大悟。

 

Web墨卡托投影示意图

再仔细分析“Web墨卡托”的投影方式，他与“原生”墨卡托的区别主要是以圆球代替椭球（这不是本文的讨论重点），他的所有经纬线也是如同“经纬度直投”一样互相垂直，高纬度地区横向也是变得很长，但他与“经纬度直投”的关键区别在于，他的纵向距离也是随着纬度增大而变长！ 横向变大，同时纵向也变大，而且变化比例接近，结果就是只把一个图形“原样放大”了,而形状却没有变化！

“经纬度直投”则不然，他的横向随纬度增大而增大，但纵向却一直是等距的，结果就是，------变形了。

也许您还有疑问，“Web墨卡托”虽然形状没变，但是高纬度地区的面积比真实同样放大了很多倍，面积也是变化很严重啊！同一张全中国范围图上，三亚和哈尔滨，选取同样真实面积的区域，在投出来的图上面积相差好多倍，但是他们各自区域中的图形都没变型。   -------这正是我们需要的， 我们是要在同一种投影下既能实现大范围的小比例尺显示，又能在大比例尺下最大限度接近真实世界，您想想，当放大到城市、街道级别时，当前屏幕展示的仅仅是这个小范围，此时您看到的是形状、角度未变化的，符合真实世界的，当您到另一区域，也是如此。您根本“没机会”去同时感受“小三亚”和“大哈尔滨”，还有什么可责怪的呢？

“Web墨卡托”这种方式投影出的地图，然后切成分级瓦片，同级别的瓦片中，三亚和哈尔滨的比例尺不同，而同比例尺栅格瓦片，是存在于不同的级别中的。 ---这一切仅仅是技术存储上的，与用户的感觉是没有关系的，当您在百度地图、Google地图、mapabc中查看某城市时，面前呈现的就是一个更接近与真实世界的地图，这也是为什么这些公众地图网站采用“Web墨卡托”的原因吧。

对于坐标系和投影方式的选择，有句话可能比较贴切------“没有最好的，只有最合适的”，要看应用场合。

但是现在看来，像这种全国既覆盖范围广、又要细致到城市级小区域大比例尺的应用领域，“Web墨卡托”，大有前途！

相比地方区域中传统使用的高斯投影，这些年来业界也逐渐认识到，随着人类活动范围的扩大，时空缩小，分散、各自独立的坐标系弊端重重，全国统一甚至全球统一的坐标系和投影方式是有必要的，国家2000大地坐标系就是迈出的实质一步。

如果能统一到地心坐标系的三维立体空间中，那是最好的最统一的坐标系，但实际上，并不是所有的场合和应用都适合用三维系统，二维永远不会完全被三维取代，坐标投影将是GIS中一个长期存在话题。

随着国家一些区域城市群、都市圈、经济圈的建立，临近城市间联系越发紧密，各自独立的坐标系和投影，更是不利于城市建设、交通建设乃至经济的发展。

对于大范围交通物流行业，全国一张图，投影方式不变很重要，-----既要看大范围，又要细看到某城市细节。

值得一提的还有两个，

一是，“Web墨卡托”已被EPSG分配了正式的代号----EPSG:3857，有正式名分了！一些新版本GIS软件中已经支持了 （2009.06发布，其中还有小插曲，2008年最初发布为EPSG:3785，2009.06发布修正，但是很多网站介绍还是写的EPSG:3785，包括一些提供卫星影像的厂商如：东方道尔、天目创新等，大家还是尽快统一吧，否则受麻烦的还是GIS界自己。）

二是，灵图的51地图作为一个全国范围互联网地图，也是遗憾的的采用了“经纬度直投”，高纬度地区变形严重。其他的网站还没来的及一一细看。

 

小提示：

Web墨卡托投影有两个相关的投影标准，经常搞混：

• EPSG4326：Web墨卡托投影后的平面地图，但仍然使用WGS84的经度、纬度表示坐标；
• EPSG3857：Web墨卡托投影后的平面地图，坐标单位为米。