如何利用Python進(jìn)行地理坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換？

本文主要講述地理坐標(biāo)系統(tǒng)的原理以及怎么利用Python進(jìn)行地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，內(nèi)容包含以下幾塊：

1. 什么是地理坐標(biāo)系統(tǒng)？
2. 常用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)有哪些？
3. 常用地圖產(chǎn)品分別是什么地理坐標(biāo)系？
4. 怎么樣利用Python實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換？
5. 如何對轉(zhuǎn)換后的精確度進(jìn)行驗(yàn)證？

一、什么是地理坐標(biāo)系統(tǒng)

用一張圖來解釋什么是地理坐標(biāo)系統(tǒng)。

上圖中紅色實(shí)線圈為「地球自然表面」，由于地球自然表面坑坑洼洼、凹凸不平，所以在進(jìn)行精準(zhǔn)測量和定位的時候是不能直接用數(shù)據(jù)公式來擬合地球表面的。

這時，用一個可以近似表示地球表面的規(guī)則的橢圓（如上圖中的藍(lán)色虛線框所示）來進(jìn)行地球表面的定位和測量，這個規(guī)則的三維球面就是地球橢球體。

但是，地球表面高低起伏不平，造成「地球橢球體」與地球自然表面在有的地方能夠十分貼合，在有的地方則不是很貼合，這會造成測量及定位地誤差。

所以，需要在地球橢球體以及地球自然表面之間加一層中間層，使其能夠盡量貼合真實(shí)的地球表面，那這中間層就是「大地基準(zhǔn)面」（如圖中綠色實(shí)線圈所示），其可以理解為在特定區(qū)域內(nèi)與地球自然表面極為吻合的橢球體。

地球上各個地方的地理位置及環(huán)境都是獨(dú)一無二的，為了滿足當(dāng)?shù)販y量及定位的精度要求，全世界的地理學(xué)家們建立了無數(shù)個適合當(dāng)?shù)氐拇蟮鼗鶞?zhǔn)面。

地理坐標(biāo)系統(tǒng)就是由大地基準(zhǔn)面衍生而來的，其是使用三維球面來定義地球表面位置，以實(shí)現(xiàn)通過經(jīng)緯度對地球表面點(diǎn)位引用的坐標(biāo)系。

一個地理坐標(biāo)系包括角度測量單位、本初子午線和基準(zhǔn)面三部分。一個大地基準(zhǔn)面可以對應(yīng)多個地理坐標(biāo)系統(tǒng)，而一個「地理坐標(biāo)系統(tǒng)」只能對應(yīng)一個大地基準(zhǔn)面。（這邊為了方便理解，沒有加入大地水準(zhǔn)面的概念）

「同一個坐標(biāo)點(diǎn)在不同地理坐標(biāo)系的地圖上，會落在不同的區(qū)域；同一個地點(diǎn)獲取不同地理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，值不相同。」

因此，在地圖制圖以及空間分析之前，先要了解坐標(biāo)點(diǎn)以及地圖的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。

二、常用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)有哪些？

常用地圖產(chǎn)品的地理坐標(biāo)系統(tǒng)有：

1. 地球坐標(biāo)系（WGS-84）WGS-84是國際通用坐標(biāo)系，也叫地球坐標(biāo)系，GPS系統(tǒng)就是采用的WGS-84。WGS-84對于具體地方的位置描述可能不如當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系來的準(zhǔn)確，但是它對全球范圍內(nèi)的位置估計(jì)更準(zhǔn)確。

在中國范圍內(nèi)，一般不直接使用WGS-84，而是使用由國家測繪局在WGS-84基礎(chǔ)上加密的火星坐標(biāo)系（GCJ-02），或者使用企業(yè)在GCJ-02上二次加密的坐標(biāo)系，例如百度坐標(biāo)系（BD-09）、搜狗坐標(biāo)系等。

2.北京54坐標(biāo)系（BJ-54）BJ-54是建國初期提出的地理坐標(biāo)系，因此在早期有比較廣泛的運(yùn)用，有一定比例的數(shù)據(jù)使用的是BJ-54。

從現(xiàn)代的眼光看，它并不能十分準(zhǔn)確地表達(dá)我國國境內(nèi)的空間位置。

3.西安80坐標(biāo)系(XIAN-80)XIAN-80由于后期意識到BJ-54的不足，我國1978年4月在西安召開全國天文大地網(wǎng)平差會議，確定重新定位，建立的我國新地理坐標(biāo)系。它在中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大作用。

4.2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS-2000)CGCS-2000我國當(dāng)前最新的國家大地坐標(biāo)系。2018年，我國國土資源系統(tǒng)全面采用CGCS-2000，并要求各類國土資源數(shù)據(jù)向CGCS-2000進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

5.地方獨(dú)立坐標(biāo)系許多城市、礦區(qū)基于實(shí)用、方便與科學(xué)的目的，建立了地方坐標(biāo)系。

國內(nèi)地圖產(chǎn)品的地理坐標(biāo)系集中于CGCS-2000、GCJ-02以及一些對GCJ-02加密的商業(yè)坐標(biāo)系，國外地圖產(chǎn)品的地理坐標(biāo)系則基本是WGS-84。

下表羅列了常用地圖產(chǎn)品的地理坐標(biāo)系，供大家參考。

三、利用Python實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

本節(jié)主要介紹怎么利用Python實(shí)現(xiàn)常用地理坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

話不多說，先上Python代碼。

設(shè)置常量：

經(jīng)緯度計(jì)算功能類：

簡單判斷坐標(biāo)點(diǎn)是否在中國范圍內(nèi)：

WGS-84轉(zhuǎn)換為GCJ-02：

GCJ-02轉(zhuǎn)換為WGS-84：

GCJ-02轉(zhuǎn)換為BD-09

GCJ-02轉(zhuǎn)換為BD-09：

WGS-84轉(zhuǎn)換為BD-09:

BD-09轉(zhuǎn)換為WGS-84:

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能包使用方法:

輸出結(jié)果:

5. 如何對轉(zhuǎn)換后的精確度進(jìn)行驗(yàn)證？

接下來，對上述地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換代碼的精確度進(jìn)行驗(yàn)證，具體的驗(yàn)證步驟為：

1. 在A坐標(biāo)系的地圖產(chǎn)品下拾取5個坐標(biāo)點(diǎn)；
2. 利用代碼對5個坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行A坐標(biāo)系到B坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；
3. 在B坐標(biāo)系地圖產(chǎn)品下同樣拾取這5個位置的坐標(biāo)點(diǎn)；
4. 計(jì)算轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)點(diǎn)與真值坐標(biāo)點(diǎn)的偏移距離，并計(jì)算平均偏移距離。

其中，WGS-84坐標(biāo)系的地圖產(chǎn)品是OpenStreetMap，GCJ-02坐標(biāo)系的地圖產(chǎn)品是高德地圖，BD-09坐標(biāo)系的地圖產(chǎn)品是百度地圖。

以下為選擇的5個坐標(biāo)點(diǎn)。

坐標(biāo)點(diǎn)1. 北京西路與石門一路交叉口：

坐標(biāo)點(diǎn)2. 嘉定梅園路與塔城路交叉口：

坐標(biāo)點(diǎn)3. 白石公路與外青松公路交叉口：

坐標(biāo)點(diǎn)4. 賢浦路與金大公路交叉口：

坐標(biāo)點(diǎn)5. 臨港達(dá)到與環(huán)湖西三路交叉口

以下為精確度計(jì)算過程表：

通過上表可以得到：

• WGS-84 => GCJ-02的誤差均值是8.9米
• WGS-84 => BD-09的誤差均值是7.6米
• GCJ-02 => WGS-84的誤差均值是8.2米
• GCJ-02 => BD-09的誤差均值是3.9米
• BD-09 =>WGS-84的誤差均值是7.2米
• BD-09 => GCJ-02的誤差均值是3.9米

三個坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換公式的誤差均值都在10米以下，在能夠使用的合理范圍之內(nèi)。由于不同地圖產(chǎn)品之間存在一定的差異以及在拾取坐標(biāo)的時候存在一定的誤差，真實(shí)的誤差均值可能比看到的誤差還要再小。

Python大數(shù)據(jù)分析

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