Gis地图常见数据格式、坐标系及瓦片总结

在我们的项目中，经常会用到基于 Gis 地图的应用开发，地图在项目中主要用于两个方面：

1. 大屏可视化应用：

此类应用居多，一般将地图置于应用中心，展示某一城市/区域的地理元素（点位、线路、区域）。可视化地图应用对地图风格展示要求比较高，并支持对图上资源的拾取，联动交互等功能。

1. 基于地图的业务应用：

此类应用主要用于交警、交通、公安、园区类等业务中，地图作为业务的一个支撑，不仅要展示基本的地理元素，大多数时候还有标绘等功能。此类应用中地图不仅做展示，也相当工具（按照区域查找监控点，区域碰撞等）。
不管是哪种应用，我们经常会接触到 Gis 的一些基本概念，本案例主要在 Gis 数据格式、常见坐标系、地图瓦片几个方面做一些总结，便于大家更好地理解 Gis系统，从而更好地使用如Hmap、MineMap、SuperMap 等地图引擎。

一、先了解下什么是 GIS ？

GIS 是地理信息系统的简称，我们可以参考 ESRI 对它的解释：

地理信息系统 (GIS) 是一个创建、管理、分析和绘制所有类型数据的系统。GIS 将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起。这可以为适用于自然科学和几乎所有行业的制图和分析提供基础。GIS 帮助用户了解模式、关系和地理环境。其优势包括改善沟通、提高效率以及更好地管理和决策。

GIS 就是这样的一门工具学科，来帮助我们更好地利用空间数据与其他行业技术进行结合，从而进行有效而强大的辅助决策及管理应用，其应用面非常广泛，几乎能与各行各业相结合衍生更多应用方向。

二、常见的 GIS 数据格式

GIS 数据分为矢量和栅格。
栅格：图片类的数据都可称为栅格数据。

矢量主要常见的有以下几种：

1. ShapeFile

该格式是 ESRI（美国环境系统研究所）研制的一种工业界的标准交换格式，几乎所有的开源及商业软件均支持，感兴趣的可以参考官方的ShapeFile文件的白皮书
https://www.esri.com/content/dam/esrisites/sitecore-archive/Files/Pdfs/library/whitepapers/pdfs/shapefile.pdf
它必须至少由三个文件组成：.shp 要素几何、.shx 形状索引、.dbf 属性数据，通常还会包含以下文件：.prj 投影描述：

因此 shapefile 是表示一组文件的集合，所以在使用的过程中通常以压缩包的形式存在，切记拷贝的时候别只拷贝了一个文件，不然会文件缺失而无法正确识别！
使用上可以通过 https://github.com/calvinmetcalf/shapefile-js 等开源库，转换成 GeoJSON 进行使用。

2. GeoJSON

这个就是我们开发人员最常接触的格式了，GeoJSON 使用 JSON 的数据格式来表达地理数据，所以它本质上还是 JSON，只不过遵循特定的规范罢了，所以不要觉得它很长很难读，只要理解了其结构原理之后，它对你来说就是再普通不过了。GeoJSON 规范上描述有很多，这里不一一赘述，我们来讲一下最常用的格式要素集（FeatureCollection）：

GeoJSON 原则上包含类型type描述，要素集(FeatureCollection) 顾名思义也就是要素(Feature)的集合(Collection)，所以其类型(type)为 FeatureCollection，既然是要素(Feature)的集合，自然是有 features 这个属性，那么何为要素(Feature)呢？

其实要素(Feature)也就是几何(Geometry)加属性(Properties)。
比如我们要找一个监控点，那么监控点这个位置就是一个点的几何(Geometry)，它是一个类型(type)为点(Point)的数据，我们对它的坐标(coordinates)可以使用 [经度,纬度] 来表示这个点，它的名称(name)就是其一个属性，当然它可以拥有一堆属性，使用key-value的格式进行描述即可。

那么几何(Geometry)类型那么多，如何去描述线以及面呢？
GeoJSON 支持以下要素类型：

• 点（包括地址和位置）
• 线串（包括街道、公路和边界）
• 面（包括国家/地区、省和土地区块）
• 点、线或面要素的多部分集合

可以参照下面这两个图来看：


在 GeoJSON 矢量数据中，使用坐标对(coordinates)来描述几何图形的组成（以下均以经纬度坐标做示例）：

点（Point）：

使用 [经度,纬度]来描述点的横纵坐标，在实际工作中我们很容易搞反这个经纬度，首先要记住经度(longitude)范围是[-180,180],纬度(latitude)范围是[-90,90]，那么大于90或者小于90的一定不会是纬度，另外我们中国所覆盖的范围大约是经度73.66~135.05,纬度3.86~53.55，因此在国内项目上可以通过坐标范围来判定经纬度顺序，习惯上经度缩写为lng（取巧的记法就是，一般在国内很多地方情况下长(long)的为经度！），纬度缩写为lat。

线（LineString）：

按照我们平时绘制折线的画法一样，一个点接着一个点的绘制，用 GeoJSON 的表达上就是一堆具有顺序的点 [[lng1,lat1],[lng2,lat2],[lng3,lat3]] 的集合。

面（Polygon）：

在存储表达上跟线很像，比线多了一层数组**[]**，细心的话，可以发现其第一个点跟最后一个点是相同的，其实就是首尾相接的线段围成了一个面，那为啥会多出一层呢？因为我们日常接触的面还会有中间带孔洞的形式，例如行政区划中很特殊的人文现象——飞地，这里比较有特色的就是黑龙江在内蒙古境内大兴安岭的一块飞地——加格达奇区。下图内蒙古红框镂空处就是黑龙江的飞地-加格达奇区：

另外，最新的 GeoJSON 规范上规定了第一个面必须是外环，其他的为内环，并且新的标准还规定了其必须遵循右手法则，也就是说，外环为逆时针方向，孔为顺时针方向，这块在使用 d3 或者在 WebGL 中使用一定要注意。

需要注意一点是，虽然要素集（FeatureCollection）并没有去约束存储的要素的几何类型，但是还是强烈建议大家在使用的时候，一个要素集（FeatureCollection）尽量存放同一种几何类型，避免点线面共存的情况。

3. TopoJSON

TopoJSON 是 d3.js 作者发明的一种针对 GeoJSON 的紧凑的压缩格式，虽然在可读性上降低了，但是可以有效减少数据大小，并且保证拓扑上的正确，因其在编码的时候有效消除了冗余，通过共享边的形式存储，并且在存储上可以对整数坐标采用量化压缩，在简化数据需要保证原拓扑关系的时候相当有用。因为我们实际项目中使用不多，这里不再赘述，更多介绍可以查看作者的 https://github.com/topojson/topojson 这个库。

4. WKB/WKT (Well-known text）

WKT(Well-known Text) 使用文本表达几何对象的一种标记语言。
WKB(Well-known Binary) 使用二进制表达几何对象的一种标记语言。

表格中，是 WKT 与 GeoJSON 分别描述同一几何的差异：

可以看出其主要还是为了表达几何对象，相较 GeoJSON 而言，其无法存储属性数据，这种数据格式在很多数据库中都用以表达几何数据类型，日常开发中可以方便地使用 https://github.com/cschwarz/wkx 来进行格式转换。

5. KML/KMZ

Keyhole Markup Language，谷歌地球等使用 xml 来表达地理数据的一种格式，这里我们只要知晓这种格式即可，不常用，如果遇到可以通过 https://github.com/mapbox/togeojson 来进行转换。

三、常见坐标系

坐标系：一种用于表示地理要素、影像和观察值位置的参照系统，为定义真实世界的位置提供了框架。

1. 地理坐标系

基于球体或旋转椭球体，地理坐标系(GCS)使用三维球面来定义地球上的位置，通常我们使用经纬度来表达位置。

2. 投影坐标系

由于地球是一个球面，而地图受限于存储介质（纸张、沙盘、书本、屏幕）原因，需要使用二维平面来表达三维的地球，而将地球表面展开成地图平面必然会产生裂隙或褶皱，因此需要采用一定的数学方法将曲面展成平面，而且使其变形较小，这就是投影坐标系的意义所在。

投影坐标系在二维平面中进行定义，投影坐标系始终基于地理坐标系，通过格网上的 x,y 坐标来标识位置，其原点位于格网中心。每个位置均具有两个值，这两个值是相对于该中心位置的坐标。一个指定其水平位置，另一个指定其垂直位置，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。

常见互联网坐标系

这里帮大家理一下关系：WGS84 通过国测局一次加密偏移后为 GCJ02(国测局2002)坐标系，BD09在此基础上进行了二次加密，而国家大地2000(CGCS2000)则是我们国家目前在推的标准规范平时精度要求不高，我们可以约等同于 WGS84。

投影坐标系：主流是墨卡托(Mercator)投影，另外有经纬度投影，主要被国家天地图所使用

墨卡托(Mercator)投影，又名“等角正轴圆柱投影”，荷兰地图学家墨卡托(Mercator)在1569年拟定，假设地球被围在一个中空的圆柱里，其赤道与圆柱相接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅标准纬线为零度（即赤道）的“墨卡托投影”绘制出的世界地图。

首先我们看看真实的地球：

而 Web 墨卡托则是墨卡托投影的一种变体，将表示地球的参考椭球体也就是上图真实的🌏近似的作为正球体（一个标准的地球半径球）处理来方便进行投影，如下图：

其优点是一种等角投影可以保证方向的正确，因此广泛用于导航海航，但是缺点在纬度越高变形越大：

最先由谷歌地图进行使用，现在被广泛使用，如高德地图、腾讯地图、天地图web墨卡托版、mapbox 等。

早期谷歌给取了一个叫 EPSG:900913 的Code，仔细看 900913 是不是很像 google，后来EPSG协会又使用过 EPSG:3785 和EPSG:3857，包括 ArcGIS 使用过 ESRI:102100 及 ESRI:102113 来表示它，不过目前我们广泛还是使用 EPSG:3857来描述。

四、地图瓦片

1. 为什么要使用地图瓦片？

地理数据本身的大数据属性，如此大的数据量自然无法一次在客户端很好的呈现，那么为了解决这样的问题，谷歌推出了栅格切片技术，通过在空间上分层（不同层级展示不同粒度的数据）、平面上分块（只展示感兴趣区域内的的数据），并且按照制定的规则在服务器端预先切好这些数据瓦片进行分发，通过客户端来调度这些瓦片的展示，这也就是我们经常看到的地图能快速展示的原因。

总结一下这种方案的优点：
1. 按需渐进加载
2. 高效缓存提升显示效率
3. 加载简单，跨终端设备（桌面、移动端）
4. 传输高效、减少服务端压力
5. 原始数据保密

2. 什么是地图切片？

采用预生成的方法存放在服务器端，然后根据用户提交的不同请求，把相应的地图瓦片发送给客户端的过程，它是一种多分辨率层次模型(LOD)，从瓦片金字塔底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。
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3. 常见切片规范

谷歌XYZ：Z 表示缩放层级，XY 的原点在左上角，X 从左向右，Y 从上向下
TMS：OGC 标准，Z的定义与谷歌相同，XY 的原点在左下角，X 从左向右，Y 从下向上
QuadTree：微软 Bing 地图使用的编码规范，Z的定义与谷歌相同，同一层级的瓦片不用 XY 两个维度表示，而只用一个整数表示，该整数服从四叉树编码规则
百度XYZ：Z 从1开始，在最高级就把地图分为四块瓦片，XY 的原点在经度为0纬度为0的位置，X 从左向右，Y 从下向上

4. 常见瓦片地图地址