让GIS三维可视化变得简单-地理坐标系统

写在前面

地理位置也就是坐标说是 GIS 的灵魂不为过吧，像天气预报、火箭发射包括地震、火山等事故发生时，新闻媒体就会说东经 XX 度、北纬 YY 度发生了什么什么，还有高德百度的地图导航、定位等等都需要用到坐标系统，因为没有准确的位置信息就无法表达地物的位置关系，地图查询分析等等也就无从谈起了

坐标系统可以分为地理坐标系统和投影坐标系统两大类

今天我们就以 Cesium 中要用到坐标转换为引，给非专业小伙伴们普及下坐标系统的知识，概念性较多，不需要全部记住，了解概念即可，我们先来说地理坐标系统

地理坐标系统也就是Geographic Coordinate System，我们简称GCS，它就是由地球表面空间要素产生的定位参照系统，说的很官方，接下来我们渐入

「PS：」 因为地图相关太难画了，本文中所有图片皆来自网络，如有侵权，请告知，即删

认知地球

历史演进

我们想要知道某个地方或物体在哪个位置肯定需要一个参照物，而对于现代生活在地球上的我们知道想要进行全球范围的精准定位，这个参照物只能是地球，因为清楚的了解地球的形状大小、了解人类与地球的关系

但是古时候的人，由于活动范围很小，只看到自己生活地区的一小块地方，所以单凭直觉就产生了种种有关 天圆地方 的说法

比如我国早在两千多年前的周代，就有 天圆如张盖，地方如棋局 的盖天说

古代埃及人认识，天像一块穹窿形的天花板，地像一个方盒

俄罗斯人则认为大地像一块盾牌，由三条巨鲸用背驮着，漂游在茫茫的海洋里

印度人也有俄罗斯类似的传说，不过他们认为驮着这块大地的，不是巨鲸，而是站在海龟背上的三头大象，大象动一动便会引起地震

后面古希腊科学家亚里士多德提出大地是球形，再到后来1519-1521年麦哲伦环绕地球航行一周成功，才使得地球这一名字正式的产生

随着测量技术的不断进步，特别是人造地球卫星的利用，才使得我们对地球有了一个明确的认知，地球并不是一个正球体，而是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体，可以成为椭球，地球的平均半径 6371 千米，极半径为 6356 千米，两者相差为 21 千米，最大周长也就是我们所说的赤道约 4 万千米，表面积约 5.1 亿平方千米，如下图

经纬度&弧度

地理坐标系统是由经纬度来定义的，那么可能有人不知道经纬度，so，这里把的经纬度也给大家介绍下

经度是从本初子午线开始向东或向西度量角度，东半球为正西半球为负，而纬度是从赤道平面向北或向南度量角度的，赤道北为正，赤道南为负

哦，对了本初子午线指的是的在地球上连接南北两极的经线，叫法很多，零经线、首子午线、零子午线等都是，赤道则是地球表面随地球自转产生的轨迹中周长最长的圆周线，划分了南北半球

本初子午线和赤道就是地理坐标系统的基线了，两者相切，可以理解为 x/y 坐标轴，那么我们说的经度就相当于 x 值，纬度就相当于 y 值，如下图

关于经纬度的单位我们可以用度分秒（DMS）、十进制度数（DD），或者我们变成中可能会用到的弧度（rad）表示

度分秒表示法中，1度等于60分、1分等于60秒（ 1° = 60′ 1′ = 60″ ），比如经纬度 45°52′30″，那我们转换为十进制来表示就是 45.875°（45+52/60+30/3600），除此之外的我们常用的弧度，我们记住两个值就可以了，敲重点了

1rad = 57.2958°
1°  = 0.01745rad

大地水准面

地球表面有高山、有洼地，是崎岖不平的，所以当我们想要使用数学法则来描述它，就必须找到一个相对来说较规则的数学面

我们都知道地球也可以叫水球，因为大部分是海洋，所以，人们假设海水处于完全静止的平衡状态，那么从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的曲面就是大地水准面，如下图

地球椭球体&椭球面

上面我们说大地水准面忽略了地面上的凸凹不平相对规则，但由于地球内物质分布的不均匀，大地水准面仍是起伏不平，它虽然非常接近一个规则椭球体，但并不是完全规则，还是没有办法用数学表达

我们知道用椭圆绕短轴旋转可生成一个椭球体，所以为了定量描述地球的形状而不受起伏的影响，测量上把与大地水准面符合的最理想的旋转椭球体叫做 地球椭球体 也叫 参考椭球体，并选择能用数学方程表示的椭球体面作为投影的基准面，这个基准面就称为 参考椭球面，简称 椭球面，参考下图

大地基准面

上面我们说了大地水准面、地球椭球体椭球面等概念，接下来我们来看大地基准面，简单讲，我们把地球比作一个马铃薯