1、 地理坐标系

1）什么是地理坐标系

一种描述二维空间的坐标系，众所周知，地球不是规则球体、近似于椭球体，为了能较为准确的进行定位，人们将地球抽象成为一个规则的逼近原始自然地球表面的椭球体，称为参考椭球体，然后在参考椭球体上定义一系列的经线和纬线构成经纬网，从而达到通过经纬度来描述地表点位的目的。

2）为什么引入地理坐标系

人们需要一个全球统一的自然、直观的参考框架，便于不同地区、不同国家的人们在同一系统下描述和交流地理信息。

3）WGS84和CGCS2000的差别

前文说到地理坐标系是根据参考椭球体建立的，而参考椭球体是逼近地球表面的椭球体。那么问题来了，地球表面是有高低起伏的，同一个椭球体不可能对任意位置都实现完美的逼近，而WGS84是美国建立的参考椭球体，自然对其本土的逼近是最好的，同理，CGCS2000在中国境内对地球表面的逼近是最好的。

常常听到这样一种说法，84和2000差不多，为什么呢？恰好逼近中国境内地表和美国境内地表的参考椭球体的参数比较接近，有差别，但是差别不是很大，所以说差不多。

4）缺陷

地理坐标系的主要缺陷是无法直接测量长度和面积。在基于经纬度的地理坐标系中，相同经线上不同纬度之间的距离并不是恒定的。这是因为地球是一个近似椭球体的天体，其半径在赤道处最大，向两级逐渐减小。因此，相同经线上不同纬度之间的实际距离会有所不同。

5）适用场景是什么

地理坐标系适用于需要描述地球表面位置的场景，如导航、地理信息系统、地图绘制、天文学等。

6）LLA坐标系(EPSG:4979)

它其实是EPSG:4326加上椭球高(大地高)，L分别代表经度(Longtitude)、纬度(Latitude)，A代表椭球高(大地高，Altitude)。

2、 投影坐标系

1）什么是投影坐标系

地理坐标系+投影函数，将曲面转换为平面，它是一种平面直角坐标系。

2）为什么引入投影坐标系

引入投影坐标系的主要目的是为了方便制图和计算。在二维平面上，测量长度、面积和角度要比在三维曲面上简单的多。

3）为什么有那么多的投影坐标系

不同的投影方式会产生不同的变形和误差。为了满足不同应用场景的需求，如保持面积、形状、距离或方向，各种投影方法应运而生，如等面积投影、等角投影和等距投影等。

4）适用场景是什么

投影坐标系适用于地图制图、土地测量、城市规划等需要在二维平面上进行操作和分析的场景。

5）高斯-克吕格分带投影

它是一种横轴等角投影。

横轴投影：高斯-克吕格投影的投影面是一个与地球赤道平行的横轴圆柱面，而不是传统的南北轴圆柱面。这使得它更适用于中低纬度地区的地图绘制。

等角投影：在这种投影下，小范围内的角度保持不变，特别适用于工程测量和地形图制作。

投影特点：

中央子午线无变形；

无角度变形，图像保持相似；

离中央子午线越远，变形越大。

什么是分带投影？为什么要分带投影？

高斯-克吕格投影通常会将地球表面按经度划分为若干个带，每个带一般为6度或3度宽，每个带内单独进行投影，以减少投影变形。每个带都有自己的中央经线，中央经线的变形最小。

3度带和6度带的区别

根据投影特点，分带越多(每个投影带的经度范围越小)，精度越高。

3度分带(常用)：适用于高精度工程测量、精确地形图绘制等。例如，德国和中国的一些高精度地图和测量工作中会使用3度分带。

6度分带：适用于中等精度的地图绘制和测量，如国家地理信息系统中的基础地图。国际上广泛使用的UTM（Universal Transverse Mercator）投影就是采用的6度分带。

3、 ECEF坐标系

1）什么是ECEF坐标系

ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed)坐标系是地心地固坐标系，以地球中心为原点，X轴指向格林尼治子午线与赤道的交点，Y轴指向与X轴垂直且位于赤道平面内的方向，Z轴指向北极。它是一种空间直角坐标系。

2）为什么引入ECEF坐标系

引入ECEF坐标系的主要原因是为了在全球范围内提供统一的三维坐标参考系。这在卫星导航、地球观测和全球地理信息系统中非常重要。

在计算机图形学中，三维笛卡尔坐标系更适合进行旋转、缩放等几何变换。

3）适用场景是什么

ECEF坐标系适用于全球导航卫星系统、空间科学、地球物理学等需要全球统一坐标参考的场景。

4、 ENU坐标系

1）什么是ENU坐标系

ENU(East-North-Up)坐标系是站心坐标系，以观测者所在位置为原点，X轴指向东方，Y轴指向北方，Z轴指向垂直向上的方向。它是一种局部空间直角坐标系。

2）为什么引入ENU坐标系

为了方便局部测量和导航。它直观地反应了观测者周围的空间关系，便于理解和使用。

3）适用场景是什么

适用于局部导航、无人机飞行控制、机器人定位等需要基于观测者位置进行操作的场景。

可以精简数据体量，比如倾斜摄影数据都会有一个xml文件记录建模原点，这个建模原点很多就是ENU坐标系原点在地球上的位置，而此时倾斜摄影的顶点数据就是在ENU坐标系进行描述的，极大的减少了顶点数据的体量。

5、 有了地理坐标系，为什么引入其他三个坐标系

地理坐标系虽然可以描述地球表面的位置，但在进行长度和面积的直接测量时存在不便，因此需要引入投影坐标系来解决这一问题。此外，地理坐标系在全球范围的应用中还需要与ECEF坐标系和ENU坐标系结合，以便于全球统一和局部应用。

6、 有了投影坐标系，为什么引入其他三个坐标系

投影坐标系适用于二维平面的操作，便于测量和计算，但在三维空间的应用中显得不足。因此，引入ECEF坐标系和ENU坐标系来补充其在三维空间中的应用。

7、 有了ECEF坐标系，为什么引入其他三个坐标系

ECEF坐标系虽然适用于全球统一的三维空间，但在局部应用中不够直观，因此需要引入ENU坐标系来解决这一问题。同时投影坐标系在二维制图和计算方面也有其不可替代的优势。

8、 有了ENU坐标系，为什么引入其他三个坐标系

ENU坐标系虽然在局部应用中非常直观，但在全球范围和二维制图方面存在局限性，因此需要结合地理坐标系、投影坐标系和ECEF坐标系的使用。

简单的将，仅使用ENU坐标系只能描述局部空间的位置，但是无法描述全球位置。

9、 四种坐标系是如何在arcgis、qgis等桌面软件中可视化表达的（真正绘制在画布上是用什么坐标系画的）

arcgis、qgis、超图等gis桌面端软件可以直接加载各种地理坐标系、投影坐标系、ECEF坐标系，因为他们都具有EPSG编号，但是不能直接加载ENU坐标系的数据，需要将其转换为其他三个坐标系。

下面将以QGIS为例，分别说明加载地理坐标系(EPSG:4326或EPSG:4490)、投影坐标系、ECEF坐标系(EPSG:4978)

先说结论：QGIS将以工程坐标系为真正的坐标系绘制矢量数据，如果加载的矢量数据的坐标系和工程坐标系不一致，那么实际绘制时会将矢量数据的坐标转换到工程坐标系下进行绘制。

QGIS绘制地理坐标系数据

大家是否好奇这样一个问题，前文说过，地理坐标系是三维空间的坐标系，，QGIS的画布是平面的，如何绘制？地理坐标系描述地球上一个点需要三个信息：经度、纬度、高度，如果忽略到高度，仅依靠经度和纬度，实际得到的还是平面上的一个位置。

图9-1加载了两个图层，一个图层的坐标系为WGS84(EPSG:4326)，该图层内有五个点，经纬度分别是：(-180,90)、(-180,-90)、(180,90)、(180,-90)、(0,0)；另一个图层是osm的tms网络地图服务，它的坐标系是web墨卡托(EPSG:3857)。

通过图9-1可以看出，当工程坐标系是EPSG:4326时，画布将以工程坐标系为平面坐标系进行绘制，为什么这么说呢？因为我们加载了一个EPSG:3857的网络地图，在3587坐标系下，它将地球描述为一个正方形。但是很明显，这个网络地图在图9-1中表现为是一个矩形，如果该网络地图按照3857坐标系的画布进行绘制，它应该表现为一个正方形，但是如果将EPSG:3857坐标系描述的地球范围转换为EPSG:4326坐标系下，那他描述的就是一个矩形范围；而且，我们加载了一个4326的矢量数据，它绘制出来也是一个矩形，如果数据中的五个点按照其他坐标系绘制，这五个点的排列绝对不是图9-1所示那样，这一切都指向：画布是以工程坐标系为平面坐标系进行绘制，如果加载的数据的坐标系和工程坐标系不一致，则绘制时将会被转换为工程坐标系(并不会改变原始数据)。

图9-1

QGIS绘制投影坐标系数据

还是刚才的那两个图层，现将工程坐标系调整为EPSG:4551(一种投影坐标系)，如图9-2所示，绘制结果明显发生了变化：

先看坐标系为EPSG:4326的矢量数据，上文介绍过，它有五个点，但是现在看上去只有三个，为什么？图9-3显示了将该矢量数据四个角点坐标转换为EPSG:4551下的坐标，可以发现这四个点的坐标数据两两重合了，所以可以得出上面相同的结论(五个点，其中四个点是两两重合的，实际上就相当于有三个点，图9-2绘制出来的结果看上去也只有三个点)：画布是以工程坐标系为平面坐标系进行绘制，如果加载的数据的坐标系和工程坐标系不一致，则绘制时将会被转换为工程坐标系(并不会改变原始数据)。

为什么osm的EPSG:3857的网络地图服务扭曲了呢？根据前文可知，投影坐标系是用来描述地球表面某一区域范围内的地理数据的，在该区域内，数据的位置都是比较精准的，但是超出了该区域时地图就会发生扭曲。

图9-2

图9-3

QGIS绘制ECEF坐标系数据

它也是三维空间的坐标系，同理，忽略Z值，只保留X、Y值，一样可以在平面上绘制。

根据上文的内容，结合图9-4和图9-5也能推断出相同结论：画布是以工程坐标系为平面坐标系进行绘制，如果加载的数据的坐标系和工程坐标系不一致，则绘制时将会被转换为工程坐标系(并不会改变原始数据)。

图9-4

图9-5

为什么osm的EPSG:3857的网络地图服务不见了呢？众所周知(不知道的请看《Web地图服务规范之栅格瓦片地图服务：WMTS(WebMapTileService,网络地图瓦片服务)、TMS(TileMapService，瓦片地图服务)和XYZ》)，EPSG:3857的范围是：经度：[-180,180]，纬度：[-85.051129,85.051129]，如图9-6所示，将四个角点转换为EPSG:4978坐标系下的坐标为：(-552058.2001906439, 0)，四个角点的坐标一样，一个图片怎么贴到一个点上呢？因此就不见了。

图9-6

注意：避免将QGIS的工程坐标系设置为A但是加载的图层坐标系是B(ArcMap也是同理)，然后进行编辑操作。

原因：

1)数据错位：如果数据和数据框的坐标系不一致，QGIS或ArcMap需要在显示数据前进行坐标转换。如果转换不准确或者出现错误，数据可能会显示在错误的位置上。这会导致地图上各要素之间的空间关系不正确，影响地图的阅读和分析。

2)比例尺和距离测量不准确：不同的坐标系会有不同的投影参数，尤其是在涉及不同的投影类型时（如从地理坐标系到投影坐标系）。这会影响地图的比例尺、面积和距离的测量结果，从而导致不准确的空间分析结果。

3)空间分析结果错误：许多GIS分析工具（如缓冲区分析、叠加分析）依赖于正确的坐标系。如果坐标系不一致，分析结果可能会不准确甚至完全错误。

更详细的解释：关于在不同投影中编辑数据（动态投影）

10、 四种坐标系是如何在cesium、arcgis js api、mapbox等web框架中可视化表达的

1）几种地图框架支持的坐标系

Cesium支持的坐标系：EPSG:4326(WGS84)、EPSG:4978(ECEF)、EPSG:3857(Web墨卡托，以WMTS服务的形式加载)；

ArcGIS js api支持的坐标系：EPSG:4326(WGS84)、EPSG:3857(以WMTS服务的形式加载)和其他任意投影坐标系；

mapbox支持的坐标系：EPSG:4326(WGS84)、EPSG:3857。

2）如何表达三维世界

在这几种常见的web地图框架中，最终表示的都是地球（一个椭球体），需要明确的是，无论使用什么坐标系，都是对地球(椭球体)的描述，地球上同一位置在不同坐标系下的坐标可以理解为别名，比如硬币，在北方它被称为钢镚，在南方它可能就叫硬币。

无论输入数据是什么坐标系，绘图时将会被转换为EPSG:4978进行绘制。

3）如何表达二维世界

使用EPSG:3857作为绘图坐标系，同时支持EPSG:4326作为输入数据(真正绘制时会将EPSG:4326的坐标转换为EPSG:3857坐标)。

如有错误和不足之处，欢迎批评指正。