打造地图拼接利器（一）前言

一、需求分析

实际工作中，很多公司或个人都需要一些幅面较大的地图，使用PS或AI等绘图工具，在上面标记一些内容，用以分析需求、理清思路、表达问题。当前，国内大的地图供应商有天地图、百度、高德等，都在网上提供电子地图浏览功能，但要实现地图拼接，普通用户也只能束手无策了。如何利用地图商提供的电子地图进行地图拼接出一幅大图，是一个很现实的需求。

二、设计思路

国内最权威的图源为“天地图”。“天地图”是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站。百度百科所述，“天地图”集成了来自国家、省、市（县）各级测绘地理信息部门，以及相关政府部门、企事业单位、社会团体、公众的地理信息公共服务资源，向各类用户提供权威、标准、统一的在线地理信息综合服务。它是“数字中国”的重要组成部分，是国家地理信息公共服务平台的公众版。
此次我们主要以天地图的拼接为例，制作一个地图拼接工具。主要的思路为：制作一个地图浏览器，增加范围框选工具，对所选范围内的地图进行下载和自动拼接，最终生成大图。
这里有一个坑不得不提一下，就是天地图需要在开发管理平台申请key才能调用其资源，但每个key每天只有10000次的访问，超出配额是常用的事。解决方案有3个，一是通过工商企业或政府机构身份申请key，最大支持到300万和500万次；二是多申请几个key，无法继续下去时换一个key；三是使用国外地图服务商，谷歌已经完全无法访问了，但还有一些网站可以访问，需要注意：国外网站在处理我领土边境问题上有错误，使用时需谨慎。
本文主要包括以下内容：1.主要知识点；2.软件框架；3.图源配置；4.数据交互；5.地图采集与拼接。

三、主要知识点

1.墨卡托投影
1569年，荷兰地图学家墨卡托（Gerhardus Mercator 1512－1594）为了提升航海家的地图使用效果，将地球的球形转换到平面上，提出了墨卡托投影。

墨卡托投影的原理为：设想一个与地轴方向一致的圆柱切于或割于地球，按等角条件将经纬网投影到圆柱面上，将圆柱面展为平面后，得平面经纬线网。投影后经线是一组竖直的等距离平行直线，纬线是垂直于经线的一组平行直线。各相邻纬线间隔由赤道向两极增大。一点上任何方向的长度比均相等，即没有角度变形，而面积变形显著，随远离基准纬线而增大。该投影具有等角航线被表示成直线的特性，故广泛用于编制航海图和航空图等[1]。

墨卡托投影最大问题在于，越往南北两极，变形越厉害，如下图所示，赤道的小圆，越往两极越大，实际面积是一致的。所以才有墨卡托投影下“如格陵兰岛比实际面积扩大了N倍”的说法。

2.Web墨卡托
2005年，google发布了谷歌地图，立即风靡全球，后成为众多地图厂商学习的蓝本。其主要采用的是TMS（Tile map service），其实在这之前，常见地图服务还有WMS、WFS、WCS、WMTS等，请各位百度。
我们都知道，要是把一大片地图加载到计算机里，速度奇慢无比，如果1:5W的世界地图使用一个图片文件的话，可能会无法打开。但其实每次在计算机屏幕视野内，我们看到地图的内容受屏幕限制而很有限，要么看到全局，要么看到局部，始终就那么大范围。这时，完全可以采取一种办法，来提高地图显示效率。于是工程师们采取了两个办法：分层和切片。分层，即根据比例尺不同，把地图划分为若干层；切片，即每一层按一定大小切成很多碎片（tile），又称为瓦片。下面结合图进行讲解：
为了把地球转换在平面上，首先要进行墨卡托投影。

如上图，假如我们把地球按照墨卡托投影展开到一张平面图上，将其大小设置为4个256×256像素的瓦片，定义为第一层，其坐标从左上角开始，x轴向右，y轴向下，z表示层，则放大一层后，每个瓦片又会分为4个256×256像素的瓦片，如图红框对应，以此类推。
那么像素与经纬度坐标是如何对应的呢？
那么这些瓦片的级别是按照什么规则来分的呢？这就要牵扯出地图学中另一个重要的概念——比例尺（即地图上的一厘米代表着实际上的多少厘米）。到了web地图中我们把比例尺转换成另一个概念——分辨率（Resolution，图上一像素代表实际多少米）。比例尺跟分辨率的换算举个例子：
//示例来自：http://www.cnblogs.com/naaoveGIS/
//这里的像素是设备像素
现在假设地图的坐标单位是米，dpi为96 ；
1英寸=2.54厘米；
1英寸=96像素；
最终换算的单位是米；
如果当前地图比例尺为1:125000000，则代表图上1米等于实地125000000米；
米和像素间的换算公式：
1英寸=0.0254米=96像素
1像素=0.0254/96 米
则根据1：125000000比例尺，图上1像素代表实地距离是 1250000000.0254/96 = 33072.9166666667米。
上面这个例子同样可以由分辨率换算出比例尺。所以在互联网地图中我们先不去关心比例尺，只关心分辨率的概念，假设瓦片的大小为256像素，每一级别的瓦块数目为2^n * 2^n。分辨率计算公式为：
r=6378137（地球半径）
resolution=2PIr/(2^zoom256)
r为Web墨卡托投影时选取的地球半径，2PIr代表地球周长，地球周长除以该级别下所有瓦片像素得到分辨率。
注意这里的像素实际并不是设备像素，而是一种参照像素（web中的css像素或者是安卓上的设备无关像素），比如在某些高清屏下（window.devicePixelRatio = 3），一参照像素宽度等于3设备像素，这时候可能实际瓦片大小是512设备像素的，但是在显示时仍然要把它显示成256参照像素（css像素）。[2]
以整个世界范围，赤道作为标准纬线，本初子午线作为中央经线，两者交点为坐标原点，向东向北为正，向西向南为负。
X轴：由于赤道半径为6378137米，则赤道周长为2PIr = 2*20037508.3427892，因此X轴的取值范围：[-20037508.3427892,20037508.3427892]。
Y轴：由墨卡托投影的公式可知，同时上图也有示意，当纬度φ接近两极，即90°时，y值趋向于无穷。这是那些“懒惰的工程师”就把Y轴的取值范围也限定在[-20037508.3427892,20037508.3427892]之间，搞个正方形。
懒人的好处，众所周知，事先切好静态图片，提高访问效率云云。俺只是告诉你为什么会是这样子。因此在投影坐标系（米）下的范围是：最小(-20037508.3427892, -20037508.3427892 )到最大 (20037508.3427892, 20037508.3427892)。
对应的地理坐标系:
按道理，先讲地理坐标系才是，比如球体还是椭球体是地理坐标系的事情，和墨卡托投影本关联不大。简单来说，投影坐标系(PROJCS)是平面坐标系，以米为单位；而地理坐标系(GEOGCS)是椭球面坐标系，以经纬度为单位。具体可参考《坐标系、坐标参照系、坐标变换、投影变换》。
经度：这边没问题，可取全球范围：[-180,180]。
纬度：上面已知，纬度不可能到达90°，懒人们为了正方形而取的-20037508.3427892，经过反计算，可得到纬度85.05112877980659。因此纬度取值范围是[-85.05112877980659，85.05112877980659]。
因此，地理坐标系（经纬度）对应的范围是：最小(-180,-85.05112877980659)，最大(180, 85.05112877980659)。至于其中的Datum、坐标转换等就不再多言。[3]
4.常见的投影及坐标系
我们经常会看到地理信息软件里有EPSG:XXXX。EPSG成立于1986年，EPSP的英文全称是European Petroleum Survey Group，中文名称为欧洲石油调查组织。这个组织成立于1986年，2005年并入IOGP(International Association of Oil & Gas Producers)，中文名称为国际油气生产者协会，维护并发布坐标参照系统的数据集参数，以及坐标转换描述。该数据集被广泛接受并使用，通过一个Web发布平台进行分发，同时提供了微软Acess数据库的存储文件，通过SQL 脚本文件，mySQL, Oracle 和PostgreSQL等数据库也可使用。
① EPSG:4326
在世界地图方面，EPSG:4326是比较著名的一个，因为由美国主导的GPS系统就是在用它，它还有一个名气更大的别名叫作WGS84，WGS(World Geodetic System)是世界大地测量系统的意思，由于是1984年定义的，所以叫WGS84，之前的版本还有WGS72、WGS66、WGS60。
② EPSG:3857
另一个比较知名的编码是EPSG:3857，这也是一张世界地图，目前主要是各大互联网地图公司以它为基准，世界上类似谷歌、bing等公司都使用该坐标系，这也是本文主要涉及的坐标系。
③ BD09
BD09经纬度投影属于百度坐标系，它是在标准经纬度的基础上进行GCJ-02加偏之后，再加上百度自身的加偏算法，也就是在标准经纬度的基础之上进行了两次加偏。该坐标系的坐标值为经纬度格式，单位为度。
④ 北京54坐标系
中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，在全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的"一边倒"政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。T.A的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。
自北京54坐标系统建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。但是随着测绘新理论·新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在很多缺点，为此，我国在1978年在西安召开了"全国天文大地网整体平差会议"，提出了建立属于我国自己的大地坐标系，即后来的1980西安坐标系。
⑤ 西安80坐标系
1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，即IAG 75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里。后续还有CGCS2000坐标系，可自行百度。
⑥ GCJ02
GCJ-02是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统。它其实就是对真实坐标系统进行人为的加偏处理，按照特殊的算法，将真实的坐标加密成虚假的坐标，而这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同。而加密后的坐标也常被大家称为“火星坐标系统”。该坐标系的坐标值为经纬度格式，单位为度。这里的GCJ02经纬度投影，也就是在WGS84经纬度的基础之上，进行GCJ-02加偏。[4]
四、主要思路
知识点搞清楚后，思路就很简单了。我们要想获取一个大范围的地图，只需要知道其范围，然后确定哪些瓦片，最后合并到一起就可以了。流程如下：
框选范围→获取经纬度→确定目标层→计算瓦片范围→按顺序下载瓦片→合并大图。
下一章，开始实操。
后续链接：
打造地图拼接利器（二）软件框架
打造地图拼接利器（三）图源配置
打造地图拼接利器（四）数据交互
添打造地图拼接利器（五）地图采集与拼接

知识点参考资料：
[1].百度百科
[2].我的小树林《web地图呈现原理》，博客园
[3]. Liyan_gis《墨卡托及Web墨卡托投影》，CSDN
[4].南水之源《地理投影，常用坐标系详解、WGS84、WGS84 Web墨卡托、WGS84 UTM、北京54坐标系、西安80坐标系、CGCS2000坐标系》，博客园