Proj.Net 投影介绍

Proj.Net是开源地图投影库Proj.4的.net版本，许多GIS开源软件的投影都直接或间接地使用Proj.4的库，Proj.4是用C语言编写。.Net下的开源GIS项目NetTopologySuite中开发维护最新版的Proj.Net项目，地址地址是：https://github.com/NetTopologySuite/ProjNet4GeoAPI

 

一、空间坐标系的概念

 

空间中的某一个位置，通常是由一个坐标来表示，坐标和位置要想正确对应起来，则必须了解该坐标的坐标系是如何定义的，坐标系在有些软件中也称为空间参考（SpatialReference）。地图的每个坐标都必须知道其坐标系的定义方法，一幅地图中各图层或者各要素的数据，必须是在同一坐标系或者转化为同一个坐标系下，才能直接进行运算，比如计算面积，距离，或者判断空间关系等。空间坐标系的相关概念有大地水准面、参考椭球体、基准面、地理坐标系、投影坐标系等。

 

大地水准面（geoid）：静止的平均海水面及其向陆地延伸后组成的封闭曲面，称为大地水准面，是一个不规则形状。大地水准面是对地球形状的最底层的描述，在大地水准面上，每一处的重力方向均与大地水准面垂直。大地水准面没有准确的数学公式。

 

参考椭球体（ellipsoid）：将大地水准面用一个规则的椭球面进行拟合，该椭球体用长半轴、短半轴和扁率三个参数中的两个来表示。由于测量方法的不同，会有不同的参考椭球体的参数，北京54坐标系使用的是Krassovsky 1940椭球体，西安80坐标系使用的是IAG 75椭球体，GPS坐标使用的是WGS 1984椭球体。

 

基准面（datum）：在参考椭球体的基础上，定义椭球体相对于地心的位置。基准面可分为地心基准面和区域基准面，地心基准面椭球体的中心位于地心（地球的质心），最广泛的基准是 WGS 1984，被用作在世界范围内进行定位测量。局域基准面是在特定区域内与地球表面极为吻合，椭球体表面上的某一点与地球表面上的特定点相匹配，该点称作基准面的原点，54坐标系基准面原点在前苏联的普尔科沃，80坐标系基准面原点在西安。

 

地理坐标系（GeographicCoordinateSystem）：是一种球面坐标系，在基准面的基础上，加上本初子午线（原点的位置）、坐标轴方向（x方向向东为正，y方向向北为正）、坐标单位（角度还是弧度）的定义。地理坐标系下的坐标就是我们常见的经纬度坐标。

 

投影坐标系（ProjectedCoordinateSystem）：是基于平面的坐标系（二维平面坐标），在地理坐标系的基础上，加上投影方法、参数、坐标轴方向和坐标单位的定义。

 

二、Proj.Net中创建坐标系的方法

 

Proj.NET支持基准面转换，地理坐标系，投影坐标系，地心坐标系，可在多种.NET框架下使用，并支持SilverLight。它可进行点对点之间的坐标变换，同时也可以把坐标系转换为 Well-Known Text (WKT) 和 XML。目前支持投影类型有：Mercator、横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)、Albers、正轴等角割圆锥投影(Lambert Conformal Conic、兰勃特投影）等。

 

2.1 手工代码创建：

 

首先初始化一个工厂对象用来创建坐标系的相关对象：

var  cFac = new CoordinateSystemFactory();

 

1) 创建参考椭球体

var ellipsoid = cFac.CreateFlattenedSphere("Bessel 1840", 6377397.155, 299.15281, LinearUnit.Metre);

 

2) 创建基准面

var datum = cFac.CreateHorizontalDatum("Bessel 1840", DatumType.HD_Geocentric, ellipsoid, null);

 

3) 创建地理坐标系

var gcs = cFac.CreateGeographicCoordinateSystem( 
    "Bessel 1840", // 自定义名称 
    AngularUnit.Degrees, 
    datum, 
    PrimeMeridian.Greenwich, 
    new AxisInfo("Lon", AxisOrientationEnum.East), 
    new AxisInfo("Lat", AxisOrientationEnum.North)
);

 

4) 创造投影坐标系

// 投影参数 
var parameters = new List<ProjectionParameter>(5); 
parameters.Add(new ProjectionParameter("latitude_of_origin", 0)); 
parameters.Add(new ProjectionParameter("central_meridian", 110)); 
parameters.Add(new ProjectionParameter("scale_factor", 0.997)); 
parameters.Add(new ProjectionParameter("false_easting", 3900000)); 
parameters.Add(new ProjectionParameter("false_northing", 900000)); 

// 投影定义
 var projection = cFac.CreateProjection( 
    "MercatorProjection", // 自定义名称 
    "Mercator_1SP", // 系统可识别的投影方法名称 
    parameters
); 

// 投影坐标系 
var pcs= cFac.CreateProjectedCoordinateSystem( 
  "Makassar / NEIEZ", // 自定义名称 
  gcs, 
  projection, 
  LinearUnit.Metre,
  new AxisInfo("East", AxisOrientationEnum.East), 
  new AxisInfo("North", AxisOrientationEnum.North)
);

 

5) 项目中预置的常用坐标系

var centricCS = GeocentricCoordinateSystem.WGS84; // 地心坐标系 
var geoCs = GeographicCoordinateSystem.WGS84; // 地理坐标系 
var webMercator = ProjectedCoordinateSystem.WebMercator; // WebMercator投影坐标系
var utm33 = ProjectedCoordinateSystem.WGS84_UTM(33, true); // UTM投影坐标系

 

2.2 根据WKT字符串创建

 

将描述一个坐标系所需要各种数据，按照GIS标准化组织所规定的格式，用字符串的形式来进行表达，该字符串就是表示该坐标系的wkt字符串，比如我国100万地形图所采用的地图投影是双标准纬线等角圆锥投影，其wkt字符串如下： 

 

PROJCS["liongg",

      GEOGCS["GCS_Beijing_1954",

          DATUM["D_Beijing_1954",SPHEROID["Krasovsky_1940",6378245.0,298.3]],

          PRIMEM["Greenwich",0.0],

          UNIT["Degree",0.0174532925199433]],

      PROJECTION["Lambert_Conformal_Conic"],

      PARAMETER["False_Easting",20500000.0],

      PARAMETER["False_Northing",0.0],

      PARAMETER["Central_Meridian",0.0],

      PARAMETER["Standard_Parallel_1",25.0],

      PARAMETER["Standard_Parallel_2",47.0],

      PARAMETER["Scale_Factor",1.0],

      PARAMETER["Latitude_Of_Origin",0.0],

      UNIT["Meter",1.0]] ;

根据该wkt字符串，创建其对应的坐标系的代码如下：

var pcs = CoordinateSystemWktReader.Parse(bj1954Lcc) as IProjectedCoordinateSystem; 

 

2.3 根据SRID文件创建

 

为记录和保存各种常用的坐标系，将wkt字符串中的各部分内容进行分解，以然后以表格的形式存入到SRID.csv文件中，表格中一行代表一种坐标系的定义，并由GIS标准化组织对每种坐标系进行了统一的编号和命名，我们可以根据编号即可创建其相应的坐标系。

var cs = SRIDReader.GetCSbyID(4326);

 

三、投影类型与应用场合

 

前面已经介绍，投影坐标系是在地理坐标系的基础上，加上投影方法、参数、坐标轴方向和坐标单位等来进行定义的。其中最重要的是投影方法和参数，投影方法是指我们采用哪一种数学公式，将经纬度坐标转换为平面坐标，参数是确定投影方法后，需要设置其投影参数，不同的参数设置，可以满足不同地区数据的需要。

 

Proj.Net中通用的投影参数有5个，各自的含义如下：

central_meridian：中央经线（投影中心点经度）

latitude_of_origin：投影中心点纬度

scale_factor：比例系数

false_easting：东伪偏移（原点在新坐标系中的x值）

false_northing：北伪偏移（原点在新坐标系中的y值）

 

另外不同的投影方法，还有自己所特有的投影参数，在后面投影方法中具体介绍。

 

Proj.Net目前最新版本支持的投影方法有11种，在项目中由11个类来表示，分别是：Mercator、 PseudoMercator、 TransverseMercator、 AlbersProjection、 LambertConformalConic2SP、 ObliqueStereographicProjection、 KrovakProjection、 PolyconicProjection、 CassiniSoldnerProjection、 HotineObliqueMercatorProjection和ObliqueMercatorProjection，在创建投影坐标系时，需要指定投影方法名称，系统根据投影方法名称来查找对应的投影类，一个投影类可能对应多个投影方法名称，下面依次介绍其使用方法和场合。

 

3.1 Mercator（墨卡托投影）

墨卡托投影是等角正轴圆柱投影，投影后经纬线为互相正交的平行直线。该投影在航海航空应用很广，使用该投影，等角航线在地图上是一条直线。该投影方法名称为mercator、mercator_1sp和mercator_2sp均对应该类。mercator_1sp为切圆柱投影、mercator_2sp为割圆柱投影。投影方法名称mercator_1sp有5个通用参数（SRID.cvs中没有找到mercator和mercator_2sp的投影）

 

3.2 PseudoMercator（伪墨卡托投影）

伪墨卡托投影，又称为Web Mercator ，这个坐标系统是 Google Map 最先使用的，或者更确切地说，是Google 最先发明的。在投影过程中，将表示地球的参考椭球体近似的作为正球体处理（正球体半径 R = 椭球体半长轴 a），然后使用等角正轴切圆柱投影。使用该投影，纬度-85度（近似值）至85度的区域在投影平面上是一个正方形。该投影方法名称可以是pseudo-mercator、popular_visualisation pseudo-mercator或者google_mercator。

这个坐标系的ID经历了曲折的过程，好多做Web开发的朋友都感到困惑。简单地顺一下： OpenLayers:900913 由于得不到官方的认证ID，Google为Web Mercator 任性地制定了这个ID，google=900913

EPSG:3785 这是 EPSG 在 2008 年给 Web Mercator 设立的WKID，但是这个坐标系的基准面是正圆球，不是WGS 1984。 存在了一段时间后被弃用。

EPSG:3857 EPSG为 Web Wercator 最终设立的WKID，也就是现在我们常用的Web 地图的坐标系，并且给定官方命名 “WGS 84 / Pseudo-Mercator“。

ESRI:102113 Esri内部使用ID，与 EPSG:3785 相应。已被弃用。

ESRI:102100 Esri内部使用ID，与 EPSG:3857 相应。

 

3.3 TransverseMercator（横轴墨卡托投影）

横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)墨卡托投影类似，不同之处在于圆柱沿经线而不是沿赤道相切。通过这种方法生成的等角投影不会保持真实的方向。该投影是把地球看作半径=R的球，如果把地球看作椭球即为通用横轴墨卡托投影或高斯－克吕格投影。该投影等高圈和垂直圈互相正交，经纬线为曲线。墨卡托投影因其经线为平行直线，便于显示时区划分，如时区图、航空图、航海图等。

通用横轴墨卡托投影(Universal Transverse Mercator) (UTM):通用横轴墨卡托坐标系是对横轴墨卡托投影的专门化应用。地球被分为 60 个区域，每个区域所跨经度为 6 度。已被许多国家作为地形图的数学基础。一般从南纬度80到北纬度84度的范围内使用该投影， 对于两极地区则采用UPS投影(通用球面极投影)。

高斯-克吕格投影(Gauss-Krüger):此投影与墨卡托投影类似，不同之处在于圆柱沿经线而不是沿赤道相切。通过这种方法生成的等角投影不会保持真实的方向。高斯-克吕格(GAUSS-KRUGER)是等角横切椭圆柱投影。该投影以中央经线和赤道投影后为坐标轴，中央经线长度比=1。该投影将地球划分为60个投影带，每带经差为6度，已被许多国家作为地形图的数学基础。一般从南纬度80到北纬度84度的范围内使用该投影。 对于两极地区则采用UPS投影(通用球面极投影)。高斯-克吕格投影通常投影带为6度范围或3度，超过了6度后变形会增大。一般常用来制作大比例尺的地图投影，如1/50万、1/10万、1/5万、1/1万等。

投影方法名为transverse_mercator，5个通用参数

 

3.4 AlbersProjection（亚尔勃斯投影）

亚尔伯斯等积圆锥投影(Albers equal area conic) 即为双标准纬线投影，也即正轴等面积割圆锥投影。该投影经纬网的经线为辐射直线，纬线为同心圆圆弧。亚尔伯斯等积圆锥投影的应用在编制一些行政区划图，人口地图,地势图等方面应用较广。如中国地势图，即是以Q1=25度，Q2=45度的亚尔伯斯等积圆锥投影。这种圆锥投影使用两条标准纬线，相比使用一条标准纬线的投影可在某种程度上减少变形。标准纬线之间的形状和线性比例变形最小。

投影方法名为albers、 albers_conic_equal_area。

albers_conic_equal_area的参数为：standard_parallel_1、standard_parallel_2、latitude_of_origin、longitude_of_center、false_easting、false_northing

 

3.5 LambertConformalConic2SP（兰勃特投影）

兰伯特等角圆锥投影是最适用于中纬度的一种投影。其类似于亚尔勃斯等积圆锥投影，不同之处在于兰勃特等角圆锥投影描绘形状更准确。兰伯特等角圆锥投影也称兰勃特正形圆锥投影，该投影的微分圆投影后仍为圆形。经线为辐射直线，纬线为同心圆圆弧。指定两条标准纬度线Q1，Q2，在这两条纬度线上没有长度变形，即M=N=1。此种投影也叫等角割圆锥投影，可用来编制中，小比例尺地图。我国的分省图，即为两条标准纬度线为Q1=25度，Q2=45度的兰伯特等角圆锥投影。1962年以后，百万分一地图采用了等角圆锥投影，极区附近，采用等角方位投影(极球面投影)。

投影方法名为lambert_conformal_conic、lambert_conformal_conic_2sp、LambertConformalConic2SP

SRID.cvs中有Lambert_Conformal_Conic_1SP，具有5个通用参数

Lambert_Conformal_Conic_2SP的参数为：standard_parallel_1、standard_parallel_2、latitude_of_origin、central_meridian、false_easting、false_northing

 

3.6 ObliqueStereographicProjection（斜球面投影）

Proj.Net 1.3.2以上版本支持该投影。此投影为等角方位投影，最适合的地区是两极地区，投影中心点在北极或者南极时（latitude_of_origin参数值为90或者-90），称为极球面投影(Polar stereographic)。通用极球面投影(Universal Polar Stereographic) (UPS)是美国于1948年设计的专用地形图投影，用于南北纬80°以上地区。UPS的投影平面割椭球于81度纬线圈（scale_factor参数值为0.994），central_meridian参数为0，false_easting和false_northing参数均为2000000

 

3.7 KrovakProjection（Krovak投影）

Krovak 投影是一种斜兰勃特等角圆锥投影，专为前捷克斯洛伐克而设计。

 

3.8 PolyconicProjection（多圆锥投影）

多圆锥投影(Polyconic)：此投影的名称可理解为“许多圆锥”，也指出了投影方法。

普通多圆锥投影（ordinary polyconic projection）：普通多圆锥投影的经线为对称于中央经线和赤道的曲线，纬线投影为同轴圆圆弧，弧 心位于中央直径线上，中央经线是直线，M=1，纬线与中央经线正交，N=1.该投影适用于沿中央经线延伸的区域（15度范围内）。常用于编制中、小比例尺的数学基础。该投影在美国被广泛应用，是百万分一地图投影的基础。

 

3.9 CassiniSoldnerProjection（卡西尼-斯洛德投影）

卡西尼-斯洛德投影(Cassini-Soldner):沿中央子午线及与其平行的所有线方向，该横轴圆柱投影的比例保持不变。此投影既不是等积投影也不是等角投影。

 

3.10 HotineObliqueMercatorProjection（洪特尼斜轴墨卡托投影）

洪特尼斜轴墨卡托投影(Hotine Oblique Mercator):此投影是沿斜轴旋转墨卡托投影所得的投影，开发该投影的目的是针对既不朝南北方向也不朝东西方向，而是方向倾斜的区域绘制等角地图。

 

3.11 ObliqueMercatorProjection（斜轴墨卡托投影）

空间斜轴墨卡托投影(Space Oblique Mercator):对于此投影，在轨道地图绘制卫星（如，美国陆地资源卫星）的探测范围内形状几乎保持不变，且几乎不发生比例变形。