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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。
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