WebGIS(Web Map)基础概念简介

techbrood 发表于 2021-04-11 19:44:18

标签: webgl, gis, map, 地图

- +

大地水准面 (geoid)

大地水准面是海洋表面在排除风力、潮汐等其它影响,只考虑重力和自转影响下的形状,这个形状延伸过陆地,生成一个密闭的曲面。虽然我们通常说地球是一个球体或者椭球体,但是由于地球引力分布不均(因为密度不同等原因),大地水准面是一个不规则的光滑曲面。虽然不规则,但是可以近似地表示为一个椭球体,这个椭球体被 称为参考椭球体(Reference ellipsoid)。大地水准面相对于参考椭球体的高度被称为 Undulation of the geoid 。这个波动并不是非常大,最高在冰岛为85m,最低在印度南部为 −106 m,一共不到200m。

参考椭球体(Reference ellipsoid)

参考椭球体(Reference ellipsoid)是一个数学上定义的地球表面,它近似于大地水准面。因为是几何模型,可以用长半轴、短半轴和扁率来确定。我们通常所说的经度、纬度以及高度都以此为基础。

一方面,我们对地球形状的测量随着时间迁移而不断精确,另一方面,因为大地水准面并不规则,地球上不同地区往往需要使用不同的参考椭球体,来尽可能适合当地的大地水准面。历史上出现了很多不同的参考椭球体,很多还仍然在使用中。国内过去使用过“北京54”和“西安90”两个坐标系,其中北京54使用的是克拉索夫斯基(Krasovsky)1940的参考椭球,西安80使用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会推荐的参考椭球。当前世界范围内更普遍使用的是WGS所定义的参考椭球。


有了参考椭球体这样的几何模型后,就可以定义坐标系来进行描述位置,测量距离等操作,使用相同的坐标系,可以保证同样坐标下的位置是相同的,同样的测量得到的结果也是相同的。通常有两种坐标系 地理坐标系(geographic coordinate systems) 和 投影坐标系(projected coordinate systems)。

地理坐标系(Geographic coordinate system)

地理坐标系一般是指由经度、纬度和高度组成的坐标系,能够标示地球上的任何一个位置。前面提到了,不同地区可能会使用不同的参考椭球体,即使是使用相同的椭球体,也可能会为了让椭球体更好地吻合当地的大地水准面,而调整椭球体的方位,甚至大小。这就需要使用不同的大地测量系统(Geodetic datum)来标识。因此,对于地球上某一个位置来说,使用不同的测量系统,得到的坐标是不一样的。我们在处理地理数据时,必须先确认数据所用的测量系统。事实上,随着我们对地球形状测量的越来越精确,北美使用的 NAD83 基准和欧洲使用的 ETRS89 基准,与 WGS 84 基准是基本一致的,甚至我国的 CGCS2000 与WGS84之间的差异也是非常小的。但是差异非常小,不代表完全一致,以 NAD83 为例,因为它要保证北美地区的恒定,所以它与 WGS84 之间的差异在不断变化,对于美国大部分地区来说,每年有1-2cm的差异。

投影坐标系(Projected coordinate systems)

地理坐标系是三维的,我们要在地图或者屏幕上显示就需要转化为二维,这被称为投影(Map projection)。显而易见的是,从三维到二维的转化,必然会导致变形和失真,失真是不可避免的,但是不同投影下会有不同的失真,这让我们可以有得选择。常用的投影有等矩矩形投影(Platte Carre)和墨卡托投影(Mercator):

2.png

左图表示地球球面上大小相同的圆形,右上为墨卡托投影,投影后仍然是圆形,但是在高纬度时物体被严重放大了。右下为等距投影,物体的大小变化不是那么明显,但是图像被拉长了。Platte Carre 投影因为在投影上有扭曲,并不适合于航海等活动,但是因为坐标与像素之间的对应关系十分简单,非常适合于栅格图的展示,Platte Carre 投影是很多GIS 软件的默认投影。

需要注意的是,对于墨卡托投影来说,越到高纬度,大小扭曲越严重,到两极会被放到无限大,所以,墨卡托投影无法显示极地地区。下图来自维基百科,可以看到墨卡托投影下每个国家的大小和实际大小的差异。但是正形性直角直线这两个特点,让它非常适合于航海导航。

3.gif


对于 WebGIS而言,用得最多的是EPSG:4326 (WGS84) 和 EPSG:3857(Pseudo-Mercator)。

EPSG:4326 (WGS84)

WGS84 是目前最流行的地理坐标系统。在国际上,每个坐标系统都会被分配一个 EPSG 代码,EPSG:4326 就是 WGS84 的代码。GPS是基于WGS84的,所以通常我们得到的坐标数据都是WGS84的。一般我们在存储数据时,仍然按WGS84存储。

EPSG:3857 (Pseudo-Mercator)

伪墨卡托投影,也被称为球体墨卡托,Web Mercator。它是基于墨卡托投影的,把 WGS84坐标系投影到正方形。我们前面已经知道 WGS84 是基于椭球体的,但是伪墨卡托投影把坐标投影到球体上,这导致两极的失真变大,但是却更容易计算。这也许是为什么被称为”伪“墨卡托吧。另外,伪墨卡托投影还切掉了南北85.051129°纬度以上的地区,以保证整个投影是正方形的。因为墨卡托投影等正形性的特点,在不同层级的图层上物体的形状保持不变,一个正方形可以不断被划分为更多更小的正方形以显示更清晰的细节。很明显,伪墨卡托坐标系是非常显示数据,但是不适合存储数据的,通常我们使用WGS84 存储数据,使用伪墨卡托显示数据。

Web Mercator 最早是由 Google 提出的,当前已经成为 Web Map 的事实标准。但是也许是由于上面”伪“的原因,最初 Web Mercator 被拒绝分配EPSG 代码。于是大家普遍使用EPSG:900913的非官方代码来代表它。直到2008年,才被分配了EPSG:3785的代码,但在同一年没多久,又被弃用,重新分配了 EPSG:3857 的正式代码,沿用至今。

possitive(2) views375 comments0

发送私信

最新评论

请先 登录 再评论.
相关文章
  • Blender2.7给平面模型添加纹理贴图

    在blender中给模型添加纹理,需要有2个步骤:首先在对象属性栏中给该对象添加材料和纹理建立纹理映射添加材料和纹理这是常见操作,略过步骤。但是仅仅这样操作,...

  • CSS3弹性布局内容对齐(justify-content)属性使用详解

    内容对齐(justify-content)属性应用在弹性容器上,把弹性项沿着弹性容器的主轴线(main axis)对齐。该操作发生在弹性长度以及自动边距被确定后。 它用来在存...

  • 深入理解JS和CSS3动画性能问题和技术选择

    本文对比了JS及其框架和CSS3的动画性能,并深入剖析了其内在原因。技术结论大致如下:1. jQuery出于设计原因,在动画性能上表现最差2. CSS3由于把动画逻辑推给了...

  • 使用SVG和CSS3创建圆形进度条动画

    圆形进度条是一个经典的控制面板元素,常用于显示任务进度,比如用户档案的完整程度,或者升级状态。有很多方法来实现圆形进度条,比如用JS, CSS3, Canvas, SVG...

  • 三维向量的简单运算和实用意义

    在WebGL的实际应用中我们广泛使用向量的几何运算来计算角度、距离,判断点线、点面之间的关系,比如物体之间的碰撞检测。本文简要介绍三维计算机图形学中常用的...

  • 纹理基础知识和过滤模式详解

    1、 为什么在纹理采样时需要texture filter(纹理过滤)。
    我们的纹理是要贴到三维图形表面的,而三维图形上的pixel中心和纹理上的texel中心并不一至(pixe...

  • Blender2.7 快捷键一览表

    通用操作
    停止当前操作:ESC
    快捷搜索:SPACE撤销:ctrl+z重做:ctrl+shift+z渲染:F12
    单选:鼠标右键(RMB)全选:A
    框选:B
    刷选:...

  • WebVR简介和常用资源链接

    什么是WebVR这是一个实验性的JavaScript API,提供了在用户网页浏览器中访问虚拟现实设备的统一接口。当前主流VR设备如Oculus Rift DK2、谷歌的CardBoard、三星...

  • 如何使用WebGL实现空气高温热变形动画特效

    我们在炎炎夏日,或者在火堆旁,经常会观察到热源周围空气的不稳定波动现象。本文将讲解如何通过WebGL来实现这个特效。该效果可用于热变形、波浪、水面波光等场...

  • WebGL入门教程1 - 3D绘图基础知识

    现代浏览器努力使得Web用户体验更为丰富,而WebGL正处于这样的技术生态系统的中心位置。其应用范围覆盖在线游戏、大数据可视化、计算机辅助设计、虚拟现实以及数...

  • 如何使用CSS3实现一个平滑的3D文本标题

    要实现3D文本,基本上有3种方法:1. 使用CSS3的投影滤镜(filter: drop-shadow)2. 使用3d建模和CSS3 3d变换来实现(最真实)3. 使用CSS3 text-shadow属性来实现...

  • div 、section 、article的区别和使用场景

    div 、section 、article的区别和使用场景
    主要区别,以及适用场合如下:
    1、div在html早期版本就支持了,section和article是html5提出的两个雨衣话标...

  • 更多...