一次关于国内电子地图坐标系纠偏实践-以高德地图为例
背景
在进行地图开发过程中，我们一般能接触到以下三种类型的地图坐标系：
1. WGS－84原始坐标系
WGS－84原始坐标系，一般用国际GPS纪录仪记录下来的经纬度，通过GPS定位拿到的原始经纬度，Google和高德地图定位的的经纬度（国外）都是基于WGS－84坐标系的；但是在国内是不允许直接用WGS84坐标系标注的，必须经过加密后才能使用；
2.GCJ－02坐标系
GCJ－02坐标系，又名“火星坐标系”，是我国国测局独创的坐标体系，由WGS－84加密而成，在国内，必须至少使用GCJ－02坐标系，或者使用在GCJ－02加密后再进行加密的坐标系，如百度坐标系。高德和Google在国内都是使用GCJ－02坐标系，可以说，GCJ－02是国内最广泛使用的坐标系；
3.百度坐标系
百度坐标系:bd-09，百度坐标系是在GCJ－02坐标系的基础上再次加密偏移后形成的坐标系，只适用于百度地图。(目前百度API提供了从其它坐标系转换为百度坐标系的API，但却没有从百度坐标系转为其他坐标系的API)
为什么会出现坐标的偏移现象
按照国家统一的保密要求，任何一个地图产品都不允许使用GPS坐标，国内地图使用的坐标系统是GCJ-02。GCJ-02，国测局02年发布的坐标体系。又称“火星坐标”。在中国，必须至少使用GCJ-02的坐标体系。比如谷歌，腾讯，高德都在用这个坐标体系。
国内其他坐标体系。一般都是由GCJ-02进过偏移算法得到的。这种体系就根据每个公司的不同，坐标体系都不一样了。比如，百度和搜狗就使用自己的坐标体系，与其他坐标体系不兼容。（百度采用的是BD_09坐标）。
由于坐标系之间不兼容，所以如果在百度地图上定位的经纬度拿到高德地图上直接描点就肯定会发生偏移（因为采用不同的坐标加密的原因，即使在地图上看到的是同一个点，其代表的坐标数据也是不同的）；只考虑国内的情况，高德地图和Google地图是可以不经过转换也能够准确显示的（在国内用的都是GCJ－02坐标系）；
WGS84转GCJ02的加密算法可以从网上搜索到，经过测试，精度尚可，大概在10m级别（以高德地图为例，使用的数据的原坐标系是WGS84坐标系，经过加密形成的GCJ02坐标系数据）。
实践过程
1. 需求说明
欲使用高德地图 android SDK开发某APP的一个功能模块：手机定位用户位置，将距离用户最近的建筑物面高亮显示。
由于高德地图对农村地区建筑物的标绘不够精细，所以采用了在其底图上（gcj02）叠加由Geoserver发布的房屋面shp数据（wgs84）。由于两数据坐标系不同，所以需要先对已有的建筑物面数据进行处理，将其加密成gcj02坐标系的数据。
2. 实现将wgs84坐标加密为gcj02坐标
wgs84转化为gcj02的加密算法在网上可以搜索到，将其封装为方法，输入参数为wgs经纬度坐标，返回gcj02经纬度坐标。代码实现如下（C#）：
//wgs84转火星坐标系
public double[] wgs84togcj02(double wgs_lon, double wgs_lat)
{
if (out_of_china(wgs_lon, wgs_lat))
{
//不在国内
double[] back = { wgs_lon, wgs_lat };
return back;
}
else
{
double dwgs_lon = transformlon(wgs_lon - 105.0, wgs_lat - 35.0);
double dwgs_lat = transformlat(wgs_lon - 105.0, wgs_lat - 35.0);
double radwgs_lat = wgs_lat / 180.0 * PI;
double magic = Math.Sin(radwgs_lat);
magic = 1 - ee * magic * magic;
double sqrtmagic = Math.Sqrt(magic);
dwgs_lon = (dwgs_lon * 180.0) / (a / sqrtmagic * Math.Cos(radwgs_lat) * PI);
dwgs_lat = (dwgs_lat * 180.0) / ((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic) * PI);
double gcj_lon = wgs_lon + dwgs_lon;
double gcj_lat = wgs_lat + dwgs_lat;
double[] gcj = { gcj_lon, gcj_lat };
return gcj;
}
}
private double transformlon(double lon, double lat)
{
var ret = 300.0 + lon + 2.0 * lat + 0.1 * lon * lon + 0.1 * lon * lat + 0.1 * Math.Sqrt(Math.Abs(lon));
ret += (20.0 * Math.Sin(6.0 * lon * PI) + 20.0 * Math.Sin(2.0 * lon * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (20.0 * Math.Sin(lon * PI) + 40.0 * Math.Sin(lon / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (150.0 * Math.Sin(lon / 12.0 * PI) + 300.0 * Math.Sin(lon / 30.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
return ret;
}
private double transformlat(double lon, double lat)
{
var ret = -100.0 + 2.0 * lon + 3.0 * lat + 0.2 * lat * lat + 0.1 * lon * lat + 0.2 * Math.Sqrt(Math.Abs(lon));
ret += (20.0 * Math.Sin(6.0 * lon * PI) + 20.0 * Math.Sin(2.0 * lon * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (20.0 * Math.Sin(lat * PI) + 40.0 * Math.Sin(lat / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (160.0 * Math.Sin(lat / 12.0 * PI) + 320 * Math.Sin(lat * PI / 30.0)) * 2.0 / 3.0;
return ret;
}
//判断是否在国内，不在国内则不做偏移
private Boolean out_of_china(double lon, double lat)
{
return (lon < 72.004 || lon > 137.8347) || ((lat < 0.8293 || lat > 55.8271) || false);
}
3. 如何将修改polygon shp坐标
对于shp数据，我们并不陌生。我们可以使用Arcengine来解析shp数据，并对其进行修改。对于point shp，直接遍历整个shp文件，修改其xy坐标值即可。但是对于polygon shp，直接修改其xy坐标却会出现问题。
最初，笔者采用遍历polygon shp的每一个要素，获取其IFeature对象，修改其Shape属性里的每一个构成点的xy坐标，结果如下所示：
这显然不是我们想要的样子。
此路不通，便另寻他路。通过观察ArcMap编辑polygon的过程，发现移动要素是整体移动的，并且可以通过鼠标的各个事件来操控要素的平移，因而猜测Arcgis可能提供了整体移动要素的方法，经过查看api，果然发现了类似方法：
IMovePolygonFeedback接口
该接口提供了Start、MoveTo、Stop三个方法，对应polygon的移动。
m_MovePolygonFeedback.Start(pFeature.Shape as IPolygon, preLocation);
m_MovePolygonFeedback.MoveTo(desLocation);
IGeometry resultGeometry = m_MovePolygonFeedback.Stop() as IGeometry;
Start方法第一个参数为被移动的polygon，第二个参数为该polygon的坐标； MoveTo方法参数为目标点的坐标； Stop停止平移动作，并返回当前移动的polygon； 移动完成后，我们需要打开ArcEngine的编辑权限，并保存feature平移的结果。
pFeature.Shape = resultGeometry;
IWorkspaceEdit workspaceEdit;
IWorkspace workspace;
IDataset dataset = pFeatureLayer.FeatureClass as IDataset;
workspace = dataset.Workspace;
workspaceEdit = workspace as IWorkspaceEdit;
//开始编辑
workspaceEdit.StartEditing(true);
workspaceEdit.StartEditOperation();
//保存实体
pFeature.Store();
//结束编辑
workspaceEdit.StopEditOperation();
workspaceEdit.StopEditing(true);
平移点和线要素的原理与此相同，实践起来也简单一些，此处略去不表。 至此，我们便可以将坐标系为wgs84的shp数据转变为坐标系为gcj02坐标系的shp数据，叠加在高德地图上（使用Openlayers进行叠加测试）。效果如下所示：
存在一定的精度误差，目测在10m之内。
下面附上百度地图数据、GPS数据等的相互转换方法（C#）：
class ProjectionConvertUtil
{
/*
* BD-09：百度坐标系(百度地图)
* GCJ-02：火星坐标系（谷歌中国地图、高德地图）
* WGS84：地球坐标系（国际通用坐标系，谷歌地图）
*/
public double x_PI = 3.14159265358979324 * 3000.0 / 180.0;
public double PI = 3.1415926535897932384626;
public double a = 6378245.0;
public double ee = 0.00669342162296594323;
//百度坐标系转火星坐标系
public double[] bd09togcj02(double bd_lon, double bd_lat)
{
double x = bd_lon - 0.0065;
double y = bd_lat - 0.006;
double z = Math.Sqrt(x * x + y * y) - 0.00002 * Math.Sin(y * x_PI);
double theta = Math.Atan2(y, x) - 0.000003 * Math.Cos(x * x_PI);
double gcj_lon = z * Math.Cos(theta);
double gcj_lat = z * Math.Sin(theta);
double[] gcj = { gcj_lon, gcj_lat };//火星坐标系值
//火星坐标系转wgs84
double[] wgs = gcj02towgs84(gcj[0], gcj[1]);
return wgs;
}
//火星坐标系转wgs84
public double[] gcj02towgs84(double gcj_lon, double gcj_lat)
{
if (out_of_china(gcj_lon, gcj_lat))
{
//不在国内，不进行纠偏
double[] back = { gcj_lon, gcj_lat };
return back;
}
else
{
var dlon = transformlon(gcj_lon - 105.0, gcj_lat - 35.0);
var dlat = transformlat(gcj_lon - 105.0, gcj_lat - 35.0);
var radlat = gcj_lat / 180.0 * PI;
var magic = Math.Sin(radlat);
magic = 1 - ee * magic * magic;
var sqrtmagic = Math.Sqrt(magic);
dlon = (dlon * 180.0) / (a / sqrtmagic * Math.Cos(radlat) * PI);
dlat = (dlat * 180.0) / ((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic) * PI);
double mglon = gcj_lon + dlon;
double mglat = gcj_lat + dlat;
double wgs_lon = gcj_lon * 2 - mglon;
double wgs_lat = gcj_lat * 2 - mglat;
double[] wgs = { wgs_lon, wgs_lat };//wgs84坐标系值
return wgs;
}
}
//火星坐标系转百度坐标系
public double[] gcj02tobd09(double gcj_lon, double gcj_lat)
{
double z = Math.Sqrt(gcj_lon * gcj_lon + gcj_lat * gcj_lat) + 0.00002 * Math.Sin(gcj_lat * x_PI);
double theta = Math.Atan2(gcj_lat, gcj_lon) + 0.000003 * Math.Cos(gcj_lon * x_PI);
double bd_lon = z * Math.Cos(theta) + 0.0065;
double bd_lat = z * Math.Sin(theta) + 0.006;
double[] bd = { bd_lon, bd_lat };
return bd;
}
//wgs84转火星坐标系
public double[] wgs84togcj02(double wgs_lon, double wgs_lat)
{
if (out_of_china(wgs_lon, wgs_lat))
{
//不在国内
double[] back = { wgs_lon, wgs_lat };
return back;
}
else
{
double dwgs_lon = transformlon(wgs_lon - 105.0, wgs_lat - 35.0);
double dwgs_lat = transformlat(wgs_lon - 105.0, wgs_lat - 35.0);
double radwgs_lat = wgs_lat / 180.0 * PI;
double magic = Math.Sin(radwgs_lat);
magic = 1 - ee * magic * magic;
double sqrtmagic = Math.Sqrt(magic);
dwgs_lon = (dwgs_lon * 180.0) / (a / sqrtmagic * Math.Cos(radwgs_lat) * PI);
dwgs_lat = (dwgs_lat * 180.0) / ((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic) * PI);
double gcj_lon = wgs_lon + dwgs_lon;
double gcj_lat = wgs_lat + dwgs_lat;
double[] gcj = { gcj_lon, gcj_lat };
return gcj;
}
}
private double transformlon(double lon, double lat)
{
var ret = 300.0 + lon + 2.0 * lat + 0.1 * lon * lon + 0.1 * lon * lat + 0.1 * Math.Sqrt(Math.Abs(lon));
ret += (20.0 * Math.Sin(6.0 * lon * PI) + 20.0 * Math.Sin(2.0 * lon * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (20.0 * Math.Sin(lon * PI) + 40.0 * Math.Sin(lon / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (150.0 * Math.Sin(lon / 12.0 * PI) + 300.0 * Math.Sin(lon / 30.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
return ret;
}
private double transformlat(double lon, double lat)
{
var ret = -100.0 + 2.0 * lon + 3.0 * lat + 0.2 * lat * lat + 0.1 * lon * lat + 0.2 * Math.Sqrt(Math.Abs(lon));
ret += (20.0 * Math.Sin(6.0 * lon * PI) + 20.0 * Math.Sin(2.0 * lon * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (20.0 * Math.Sin(lat * PI) + 40.0 * Math.Sin(lat / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
ret += (160.0 * Math.Sin(lat / 12.0 * PI) + 320 * Math.Sin(lat * PI / 30.0)) * 2.0 / 3.0;
return ret;
}
//判断是否在国内，不在国内则不做偏移
private Boolean out_of_china(double lon, double lat)
{
return (lon < 72.004 || lon > 137.8347) || ((lat < 0.8293 || lat > 55.8271) || false);
}
}
参考：
后话
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。任何技术的掌握都是离不开实践的。在这次实践高德地图数据纠偏之前，我前后也看过十几篇关于电子地图纠偏的文章，始终不得要领。经此一役，却发现对数据纠偏的理解深刻了许多。所以，好记性不如烂笔头，多多实践吧。