GIS 基础知识简介
前言
前一段时间，在公司进行了分析 GIS 基础信息的介绍。之所以会有这个介绍以及为什么是我？这个个中缘由说下。
公司不是一个GIS方面的公司，但是由于业务的需要，经常需要用到地图（要和地图打交道），但是GIS知识匮乏。我呢是公司里专业和GIS相关的，就由我来介绍下GIS。
这里知识简单的介绍，如有问题请指出，以便交流学习。下面就把简介内容介绍下。
一、GIS概念
1、定义
地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层、空中和地下空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（Geographic Information Science），近年来，也有称GIS为"地理信息服务"（Geographic Information service）。
1.1、GIS的特点
为了满足GIS对地球表面、空中和地下若干要素空间分布和相互关系的研究，GIS必须具备以下基本特点。
①公共的地理定位基础；所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位,才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础,支持空间问题的处理与决策。（强调坐标的重要性，所以对于一些没有坐标的或者不知道坐标系统的数据是基本没有什么用的）
②标准化和数字化；将多信息源的空间数据和统计数据进行分级、分类、规格化和标准化，使其适应于计算机输入和输出的要求，便于进行社会经济和自然资源、环境要素之间的对比和相关分析。（分各个要素的特性，例如道路，标准的应该是面的，是有宽度的，这样可以大致估算其车流量等）
③多维结构；在二维空间编码基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合，并按时间序列延续，从而使它具有信息存贮、更新和转换能力，为决策部门提供实时显示和多层次分析的方便。这显然是常规二维或二维半的地形图所不具备的。（在空间的基础上，还可以根据不同的属性信息来显示如：人口、经济等专题图，还可以根据时间变化就是四位，NetCDF 数据）
④具有丰富的信息；GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。
1.2、GIS与其它系统的区别
GIS有别于DBMS(数据库管理系统)。GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS,GIS必须包含DBMS。
GIS有别于MIS(管理信息系统)。GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用。MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询，没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS,MIS在概念上更接近DBMS。
GIS有别于地图数据库。地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析和提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。
GIS有别于CAD系统。二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。
2、GIS 历史
国外不少人认为，19世纪以来普遍应用的地图和专题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，我国地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全国各级行政机构，是宋代的中国地图。（历史学家扒拉扒拉就可以了）
（1）60年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理。例如，处理人口统计局数据（如美国人口调查局建立的DIME）、资源普查数据（如加拿大统计局的GRDSR）等。许多大学研制了一些基于栅格系统的软件包，如哈佛的SYMAP、马里兰大学的MANS等。综合来看，初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面，如学术探讨、新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等。对于这个时期地理信息系统的发展来说，专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。
（2）70年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。地理信息系统的真正发展应是70年代的事情。这种发展应归结于以下几方面的原因：一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难，而这些都需要一种能有效地分析、处理空间信息的技术、方法与系统。二是计算机技术迅速发展，数据处理加快，内存容量增大，超小型、多用户系统的出现，尤其是计算机硬件价格下降，使得政府部门、学校以及科研机构、私营公司也能够配置计算机系统；在软件方面，第一套利用关系数据库管理系统的软件问世，新型的地理信息系统软件不断出现，据IGU调查，70年代就有 80多个地理信息系统软件。第三，专业化人才不断增加，许多大学开始提供地理信息系统培训，一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作，如美国环境系统研究所（ESRI）成立于1969年。这个时期地理信息系统发展的总体特点是：地理信息系统在继
承60年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在地理信息系统技术方面未有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，而政府影响增强。
（3）80年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。许多国家制定了本国的地理信息发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA），英国于1987年成立了地理信息协会。同时，商业性的咨询公司，软件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务。这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场。
（4）90年代为地理信息系统的用户时代。一方面，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另一方面，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；同美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略、我国的“21世纪议程”和“三金工程”也包括地理信息系统。毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。
我国GIS的起步较晚，到70年代末才提出开展GIS研究的倡议。进入80年代后迅速发展，在理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养和区域性试验等方面都取得了突破和进展。一些有远见的地方政府也开始投资建立本地的G1S,在GIS应用日益活跃的今天，诸如沙市这样名不见经传的中小城市，由于GIS起步早而誉冠全国。80年代末，武汉测绘科技大学在摄影测量与遥感专业的基础上建立了信息工程专业，使我国GIS基本人才的培养纳入了正轨。1994年4月，我国专门成立了“中国GIS协会”,此后又成立了“中国GIS技术应用协会”,加强了国内各种GIS学术交流，研制推出了Geostar、Citystar、MapGIS等具有自主版权的GIS软件。
二、GIS 空间数据
1、数据结构
空间数据结构可以从以下两个方面说明：
地理实体的特征：
属性特征；
空间特征；
时间特征；
地理实体数据的类型：
属性数据；
几何数据；
关系数据；（描述空间实体之间的空间关系数据，如实体的邻接、关联、包含等，主要指拓扑关系）
（一般我们在这里讨论的只是空间数据，属性数据要结合实际的情况）
NO Data NO bb
所以在存储上回有别于一般的数据，有着自己特有的存储方式、数据存储格式。
GIS中的数据存储格式有：
1、矢量数据格式
世界的本质是物质，对于 GIS 来说，点就应该是矢量数据的本质，点生线，线生面……，如此组合，构成了 GIS 世界中的矢量空间。
点：单点、多点；
线（Segment）：直线、圆弧、椭圆弧、贝塞尔曲线；（只有两个点的线）
线路（Path）：连续线的集合；
环线（Ring）：封闭的多段线；
多段线（Polyline）：多个Path对象的集合；
多边形（Polygon）：由一个或多个Ring对象的有序集合；
获取：
外业测量、由栅格数转换获得、跟踪数字化
2、影像数据格式（栅格数据格式）
栅格数据结构基于栅格模型的数据结构。是指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
栅格数据结构中，点由一个单元网格表示，线由一串有序的相互链接的单元网格表示，各个网格的值相同。多边形由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部网格值相同，外部不同。每个网格对应一种属性。其空间位置用行与列表示。网格边长决定数据精度，但在表示地理实体时，信息都有丢失，这是由于复杂的实体采用统一格网造成的。一般通过保证最小多边形的精度标准来确定网格尺寸，可以有效逼近实体又能最大程度减少数据量。
与矢量数据结构相比，其表达地理要素比较直观，容易进行多层数据的叠合操作。但数据精度取决于网格边长，当边长缩小时网格数量会呈几何级数递增，使储存空间迅速增加；由于相邻网格单元属性值的相关性，造成栅格数据冗余度大；栅格数据对于网络分析比较困难等。
3、地形数据格式（高程数据）
2、存储方式
数据储存方式主要分为两类：本地文件存储方式、数据库存储方式。
2.1、SHP(Shapeflie)：
一个Shape文件包括三个文件：一个主文件(*.shp)，一个索引文件(*.shx)，和一个dBASE(*.dbf)表
坐标文件（.shp）
属性文件（.dbf）
索引文件（.shx）
除此之外还有一些可选的文件：
空间参考文件（.prj）
几何体的空间索引文件（.sbn、sbx）
只读的几何体空间索引文件（.fbn、.fbx）
2.2、CAD：
有一些列的数据格式
dwg文件：*.dwg是AutoCAD的图形文件，是二维或三维图形档案。其与dxf文件是可以互相转化的。
dxf文件：*.dxf是Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式。DXF是一种开放的矢量数据格式。
在 GIS 中使用 CAD 数据，标准的CAD数据会在文件中标注使用的坐标系等信息
2.3、Dxf 和投影的关系
很多和规划以及地图相关的CAD文件，CAD的图框上大多相关的地理和投影坐标信息，一般在左下角会有投影坐标信息，比如北京1954坐标，图框的格网线附近还会有相应的分带，带号信息，找到这些信息以后，就可以进行投影定义了。
如果以上信息都没有，那就只能是硬加载然后进行平移操作了。这个过程当中如果最终结果和gis数据无法套和或者差距甚远，大多是转换过程当中出了错误。
2.4、TIFF：
标签图像文件格式(Tagged Image File Format，简写为TIFF) 是一种主要用来存储包括照片和艺术图在内的图像的文件格式。它最初由 Aldus公司与微软公司一起为PostScript打印开发。
2.5、DEM：
数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。
一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。
2.6、GeoJSON：
GeoJSON是一种对各种地理数据结构进行编码的格式。GeoJSON对象可以表示几何、特征或者特征集合。GeoJSON支持下面几何类型：点、线、面、多点、多线、多面和几何集合。GeoJSON里的特征包含一个几何对象和其他属性，特征集合表示一系列特征。
一个完整的GeoJSON数据结构总是一个（JSON术语里的）对象。在GeoJSON里，对象由名/值对--也称作成员的集合组成。对每个成员来说，名字总是字符串。成员的值要么是字符串、数字、对象、数组，要么是下面文本常量中的一个："true","false"和"null"。数组是由值是上面所说的元素组成。
2.7、空间数据库
空间数据库就是专门做这个的，常用的空间数据库有PostgreSQL（PostGIS拓展）、MySQL（Mysqlspatial拓展）、Oracle（Oraclespatial拓展）等
PostgreSQL：在安装该数据库后，需要再安装一个 postGIS扩展；（虽然有一些函数，但是使用起来并不方便，还不如自己写的，有用过的这样说）
MySQL：直接安装就可以，但是功能相比要少很多
Oracle：是一个组件，安装时默认安装
三、GIS 中的坐标系
空间参考（ Spatial Reference）是 GIS 数据的骨骼框架，能够将我们的数据定位到相应的位置，为地图中的每一点提供准确的坐标。 在同一个地图上显示的地图数据的空间参考必须是一致的，如果两个图层的空间参考不一致，往往会导致两幅地图无法正确拼合，因此开发一个 GIS 系统时，为数据选择正确的空间参考非常重要。
地理坐标系：为球面坐标。参考平面地是椭球面，坐标单位：经纬度；
投影坐标系：为平面坐标。参考平面地是水平面，坐标单位：米、千米等；
地理坐标转换到投影坐标的过程可理解为投影。（投影：将不规则的地球曲面转换为平面）
（重点，地理坐标系、投影坐标系，大地坐标系），展示不同坐标系下显示效果
1、坐标系三级逼近
1.1、大地水准面
地球的自然表面有高山也有洼地，是崎岖不平的，我们要使用数学法则来描述他，就必须找到一个相对规则的数学面。大地水准面是地球表面的第一级逼近。假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的曲面，这就是大地水准面。
它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。因为地球的质量并非在各个点均匀分布，因此重力的方向也会相应发生变化，所以大地水准面的形状是不规则的，如下图：
1.2、地球椭球体
大地水准面可以近似成一个规则成椭球体，但并不是完全规则，其形状接近一个扁率极小的椭圆绕短轴旋转所形成的规则椭球体，这个椭球体称为地球椭球体。它是地球的第二级逼近。
由定义可以知大地水准面的形状也是不规则的，仍不能用简单的数学公式表示，为了测量成果的计算和制图的需要，人们选用一个同大地水准面相近的可以用数学方法来表达的椭球体来代替，简称地球椭球体，它是一个规则的曲面，是测量和制图的基础，因地球椭球体是人们选定的跟大地水准面很接近的规则的曲面，所以地球椭球体就可以有多个，地球椭球体是用长半轴、短半轴和扁率来表示的。
1.3、基准面
确定了一个规则的椭球表面以后，我们会发现还有一个问题，参考椭球体是对地球的抽象，因此其并不能去地球表面完全重合，在设置参考椭球体的时候必然会出现有的地方贴近的好（参考椭球体与地球表面位置接近），有地地方贴近的不好的问题，因此这里还需要一个大地基准面来控制参考椭球和地球的相对位置。 这是地球表面的第三级逼近。
基准面是在特定区域内与地球表面极为吻合的椭球体。椭球体表面上的点与地球表面上的特定位置相匹配， 也就是对椭球体进行定位， 该点也被称作基准面的原点。原点的坐标是固定的，所有其他点由其计算获得。
基准面的坐标系原点往往距地心有一定偏移(有的也在地心， 如 WGS1984) ， 如西安 80 的基准面和北京54 的基准面. 因为椭球体通过定位以便能更好的拟合不同的地区， 所以同一个椭球体可以拟合好几个基准面. 因为原点不同， 所以不同的基准面上， 同一个点的坐标是不相同的， 这点我们应该清楚. 下面以华盛顿州贝灵厄姆市为例来说明。使用 NAD27、 NAD83 和 WGS84 以十进制为单位比较贝灵厄姆的坐标。显而易见，NAD83 和 WGS84 表示的坐标几乎相同，但 NAD27 表示的坐标则大不相同，这是因为所使用的基准面和旋转椭球体对地球基本形状的表示方式不同。
3 个不同基准面时华盛顿州贝灵厄姆市的地理坐标
根据原点位置和区域吻合度，有以下两类基准面：
地心基准面：由卫星数据得到，使用地球的质心作为原点，使用最广泛的是 WGS 1984。
区域基准面：特定区域内与地球表面吻合，大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点，例如Beijing54、Xian80。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。
2、地理坐标系
地理坐标系也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系，它用经纬度来表示地物的位置，经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角，通常以度或百分度为单位来测量该角度。下图将地球显示为具有经度和纬度值的地球。
地理坐标系 (GCS) 是基于基准面的使用三维球面来定义地球上的位置， GCS 往往被误称为基准面，而基准面仅是 GCS 的一部分， GCS 包括角度测量单位、本初子午线和基准面。（WGS84坐标系参数几个比较）
我们通常说的参心大地坐标系和地心大地坐标系是一种伪地理坐标系。大地坐标系为右手系。
参心大地坐标系：是以参考椭球的几何中心为原点的大地坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。
地心大地坐标系：以球心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系。地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。
3、投影坐标系
地图投影：简单的说地图投影就是把地球表面的任意点，利用一定数学法则，转换到地图平面上的理论和方法。
墨卡托：墨卡托投影（Mercator Projection），又名“等角正轴切圆柱投影”，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。
墨卡托投影示意图
墨卡托投影以整个世界范围，赤道作为标准纬线，本初子午线作为中央经线，两者交点为坐标原点，向东向北为正，向西向南为负。南北极在地图的正下、上方，而东西方向处于地图的正右、左。
基于椭球面与球面的墨卡托投影均没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等（比例因子为常数），因此具有沿直线方位不变的特点，这样航海者只要根据直线与子午线之间的夹角即可在图上确定航线，因此航海图几乎清一色采用墨卡托投影，但在陆域制图中很少采用，因为长度和面积变形明显。
墨卡托的特点：
1、等角投影保证了对象的形状不变
2、等角保证了方向和相互位置不变
3、圆柱特性，保证了经度、纬度都是平行的线直线，并且相互垂直；经线间距相同，纬度从标准纬线（赤道或者纬度）到两极逐渐增大
4、面积变形巨大（如格陵兰岛变大很多倍）
这里给出百度百科的地址——墨卡托投影，以及墨卡托投影的效果图。
通用横轴墨卡托：UTM投影是横轴等角割圆柱投影。此投影系统是美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星像片所采用的投影系统.
UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”UNIVERSALTRANSVERSEMERCATOLPROJECTION，是一种“等角横轴割圆柱投影”，椭圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条相割的经线上没有变形，而中央经线上长度比0.9996。UTM投影是为了全球战争需要创建的，美国于1948年完成这种通用投影系统的计算。与高斯-克吕格投影相似，该投影角度没有变形，中央经线为直线，且为投影的对称轴，中央经线的比例因子取0.9996是为了保证离中央经线左右约330km处有两条不失真的标准经线。
高斯-克吕格：又名—等角横切椭圆柱投影。在采用分带的投影坐标系统中，我们最常用的是高斯-克吕格投影，它是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl Friedrich Ｇauss，1777—1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，1857～1928）于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯-克吕格投影。它是横轴墨卡托投影的一个变种，高斯-克吕格只是它通俗的名称，比较专业的名称叫做横轴等角切椭圆柱投影。
设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线，按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯—克吕格投影平面。高斯—克吕格投影后，除中央经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于中央经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。下图是高斯—克吕格投影方式示意图。
高斯-克吕格投影的特点：
1、中央经线和赤道投影互为垂直的直线，且为投影的对称轴
2、等角，但是长度、面积相较墨卡托变形较小
3、中央经线投影后保持长度不变
在我国，1:1万比例尺地形图采用高斯-克吕格3度分带投影坐标，而1:2.5万—1:50万比例尺的地形图采用的是6度分带。一般，在我国标准地形图上，X坐标的前两位代表所在分度带带号，其余的表示X坐标，通常带号的字体要比坐标的字体大。如下图所示，是6度带投影的示意图：
Web 墨卡托：Web 墨卡托投影在 2005 年发布的 Google 地图中首次使用，考虑到相互之间的平台兼容，随后跟进的微软 Bing Maps、在线地图服务公司 Mapquest Maps、以及雅虎的 Yahoo Maps 纷纷采用了。ESRI 称其为“WGS 1984 Web 墨卡托辅助球投影”， EPSG称其为“公共可视化伪墨卡托投影”。
Web 墨卡托投影采用基于椭球面的球面墨卡托投影公式（相当于椭球面墨卡托投影近似公式）就是把地球椭球体换成圆球
Web 墨卡托的特点同上面的墨卡托，现在在 Web 端大量使用。可以参考——为什么使用 Web墨卡托
投影坐标系是基于地理坐标系的，它使用基于 X， Y 值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置，可以这样认为投影坐标系=地理坐标系(如：北京 54、西安 80、 WGS84)+投影方法(如：高斯－克吕格、 Lambert投影、 Mercator 投影)+线性单位。下图来自 ArcGIS 说明了投影坐标系的组成：（WGS84坐标系投影.png 等几个比较）
4、坐标系转换
分两种转换：（可以直接在ArcGIS里面展示没有投影的数据，切换不同的投影）
同一个基准面的转换
对于同一基准面，我们可以肯定一点就是同一位置经纬度坐标是一样的，而不同的就是计算成平面坐标的时候可能有所不同，因为算法不一样，在这里我只是将经纬度坐标转成平面的坐标。
例如：坐标系是西安80的地理坐标系没有投影，转换为Xian1980_3_Degree_GK_Zone_34（3度带 34分带）的投影坐标系下的坐标，这个就是经纬度转平面坐标，可以互相转换。
不同基准面的转换
地球上同一位置的坐标在不同的基准面上是不一样的，而基准面是构成坐标系的一个部分，因为基准面在定位的时候牵扯到了相对地心的平移或旋转等，所以对于这样的转换我们无法直接进行，需要一个转换参数，而这些参数也是基于不同的模型的，常用的有三参数和 7 参数， 三参数是比较简单的也是比较容易理解的，三参数是在两个基准面之间进行了 X， Y， Z 轴的平移，如果知道了这三个平移的参数 外加个基准面上的点，那么另外一个点的坐标就是，对于 7 参数，我们知道了平移三参数 旋转三参数 以及比例因子 外加一个基准面上的坐标就可按照下面的公式求出另外一个基准面上的坐标
北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换
这三个坐标系统是当前国内较为常用的，它们均采用不同的椭球基准。其中北京54坐标系，属参心坐标系，大地原点在苏联的普而科沃，长轴6378245m，短轴6356863，扁率1/298.3；西安80坐标系，属参心坐标系，大地原点在陕西省径阳县永乐镇，长轴6378140m，短轴6356755，扁率1/298.25722101；WGS84坐标系为地心坐标系，长轴6378137.000m，短轴6356752.314，扁率1/298.257223563。由于采用不一样的椭球基准，所以转换是不严密的。全国各个地方的转换参数也是不一致的。对于这样的转换一般选用七参数法，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K。如果区域范围不大，最远点间的距离小于30Km(经验值)，这可以用三参数，即X平移，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，所以三参数只是七参数的一种特例。要求得七参数就需要在一个地区至少3个重合点（即为在两坐标系中坐标均为已知的点，采用布尔莎模型进行求解。一般我们将GPS测量的WGS84坐标（X84,Y84,Z84）通过空间转换模型，将其转换为地方坐标系的空间直角坐标例如北京54（X54,Y54,Z54）。其布尔莎7参数转换模型为
WKID、EPSG、SRID、WKD：大部分都是相同的，也有一些个别的是独有的；
平时常用的地理坐标系、投影坐标系都是一样的
Geographic Coordinate System 地理坐标
4214 GCS_Beijing_1954
4326 GCS_WGS_1984
4490 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000
4555 GCS_New_Beijing
4610 GCS_Xian_1980
四、GIS 服务介绍
1、OGC
OGC全称Open Geospatial Consortium，自称是一个非盈利的、国际化的、自愿协商的标准化组织，它的主要目的就是制定与空间信息、基于位置服务相关的标准。这些标准就是OGC的“产品”，而这些标准的用处就在于使不同厂商、不同产品之间可以通过统一的接口进行互操作。
在GIS领域，OGC已经是一个比较“官方”的标准化机构了，它不但包括了ESRI、Google、Oracle等业界强势企业作为其成员，同时还和W3C、ISO、IEEE等协会或组织结成合作伙伴关系。因此，OGC的标准虽然并不带有强制性，但是因为其背景和历史的原因，它所制定的标准天然地具有一定的权威性。
所以，我们也可以看到，很多国内的部门或行业要进行地理空间信息的共享或发布时，言必称OGC标准，就和这个原因有关。但是，事实上我们对OGC和OGC标准并不需要盲目崇拜和迷信，从RESTful服务规范的缺失、KML的空降等可以看出来，OGC还是有一些缺失和不足的地方。
OGC的标准基本上就是OGC所有的成果，而所谓的标准就是一些接口或编码的技术文档。不同的厂商、各种GIS产品都可以对照这些文档来定义开放服务的接口、空间数据存储的编码、空间操作的方法等。
除了正式发布的标准（OpenGIS® Standards ），OGC的工作成果还包括一些其它类型的文档，比如讨论稿（Discussion Papers ）、抽象规范（Abstract Specification ）、最佳实践文档（Best Practices Documents ）、OGC参考模型（OGC Reference Model (ORM) ）、白皮书（White Papers ）等。在OGC的工作中，标准的制定可能由待讨论的“讨论稿”开始，在形成一定的统一意见后形成“抽象规范”，进一步具体化到“标准”，在这个过程中同时也可能形成“最佳实践文档”供印证，而“OGC参考模型”则是描述“抽象规范”、“标准”、“最佳实践文档”之间的关系。当然，其中我们最关心的还是OGC标准文档。
下面是介绍一下地图服务，先看下 ArcGIS Server 可以发布的地图服务：
2、WMS
Web 地图服务（WMS，Web Map Service）能够根据用户的请求返回相应的地图（包括PNG，GIF，JPEG等栅格形式或者是SVG和WEB CGM等矢量形式）。
WMS支持网络协议HTTP，所支持的操作是由URL定义的。
有三个重要操作GetCapabilities，GetMap，GetFeatureinfo。
GetCapabilities（能力、功能）返回服务中要素类及支持的操作；
GetMap返回一个地图影像；
GetFeatureinfo返回显示在地图上的某些特殊要素的信息（多个图层，则各个图层的信息都可以获取到）。
还有一些其它操作如DescribeLayer，GetLegendGraphic，GetStyles，SetSytles。
事实上用传统的观点来解释，GetMap获得的就是在桌面程序中画在控件上的里的结果，是数据的表现。GetFeatureInfo更容易理解，它和几乎所有的桌面程序上都用的Info按钮功能相同，都是用来获得屏幕坐标某处的信息，GetFeatureInfo中的参数是屏幕坐标、当前视图范围等，在一定程度上也方便了客户端的编写。GetFeatureInfo可以同时返回多个图层中的要素信息，这一点和ArcGIS Desktop等也都是相同的。WMS还包括一些GetLegend之类的返回图例信息的请求，也是完全按照桌面既有的标准定义的。
通过在百度地图开发者中心测试（开发文档-地图编辑器），可以编辑任意的样式，这样的服务是动态的，是利用GetStyles、SetSytles来改变的；
3、WMTS
WMTS，切片地图Web服务（Web Map Tile Service），又称为瓦片地图。WMTS标准定义了一些操作，这些操作允许用户访问切片地图。WMTS可能是OGC首个支持RESTful访问的服务标准。
WMTS提供了一种采用预定义图块方法发布数字地图服务的标准化解决方案。WMTS弥补了WMS不能提供分块地图的不足。WMS针对提供可定制地图的服务，是一个动态数据或用户定制地图（需结合SLD标准）的理想解决办法。WMTS牺牲了提供定制地图的灵活性，代之以通过提供静态数据（基础地图）来增强伸缩性，这些静态数据的范围框和比例尺被限定在各个图块内。这些固定的图块集使得对WMTS服务的实现可以使用一个仅简单返回已有文件的Web服务器即可，同时使得可以利用一些标准的诸如分布式缓存的网络机制实现伸缩性。
地图数据通常体量较大，需要充足的带宽和数据渲染能力。瓦片地图诞生以前，地图多在局域网的桌面软件中使用。互联网的发展，催生了通过浏览器使用地图的需求，于是在1999年，出现了WMS（Web Map Service）这样的解决方案。在浏览器这一端，没有地图的概念，但浏览器天生就是为了显示文本和图片。WMS的设计是，在服务器端把地图渲染成图片，浏览器端显示地图图片。地图图片大小根据浏览器视窗大小来定。
这大大推进了互联网地图的进程。问题是，WMS根据浏览器视窗大小每次生成一大张图片，对于后端渲染和网络传输都是挑战，效率低下。紧接着就有了WMS-C（Cached）的思想，通过缓存地图瓦片提高效率。在工程实践方面更胜一筹的Google成为这一思想的最佳实践者。2005年，Google地图上线，通过高效的瓦片地图技术，让全球用户轻而易举的享受到了地图的福利。 Google地图采用的Web Mecator投影和瓦片分级切割方案，也成为目前互联网地图事实上的标准。紧接着，Google地图又新增了路网服务、实时路况、街景地图和Google地球，互联网地图的蓬勃发展就此开始。
原理：
使用互联网地图时，我们看到的是一张铺满整个屏幕的大的地图图片。实际上，这张大的图片是多个尺寸相同（通常是256*256像素）的小图片按照既定规则无缝拼接而成的，这些小图片就是瓦片。瓦片按照如下图所示的金字塔结构组织，每张瓦片都可通过级别、行列号唯一标记。在平移地图、缩放地图时，浏览器根据金字塔规则，计算出所需的瓦片，从瓦片服务器获取并拼接。
瓦片是静态的图片，可预先生成，通过缓存和CDN技术，瓦片服务器可提供高效的瓦片读取服务。此外，浏览器并行获取和显示多张小图片，比获取和显示一张大图片要高效的多。显示地图变成和显示图片一样简单，这也是互联网地图能够承载亿级规模用户的原因。
WMS 和 WMTS 区别：
➤ WMS 非常灵活，可提供定制地图服务
➤ WMTS 性能好（一张张下的瓦片）
➤ WMS 能提供除了：地图服务、影像服务，外的 地理数据服务
4、WFS
Web 要素服务（WFS，Web Feature Service）支持对地理要素的插入，更新，删除，检索和发现服务。该服务根据HTTP客户请求返回GML数据。
其基础接口是：GetCapabilities，DescribeFeatureType，GetFeature
GetCapabilities同上。
DescribeFeatureType返回要素结构，以便客户端进行查询和其他操作。
GetFeature可根据查询要求返回一个符合GML规范的数据文档。GetFeature是最重要的接口。
其它接口如Transaction 它不仅能提供要素读取，同时支持要素在线编辑和事务处理。
WFS对应于常见桌面程序中的条件查询功能，WFS通过OGC Filter构造查询条件，支持基于空间几何关系的查询，基于属性域的查询，当然还包括基于空间关系和属性域的共同查询。在Web上，WFS的请求不是以SQL实现的，而是通过Filter XML来实现，可扩展性更强。WFS所返回的是查询的结果集，从某种程度上说，区别于WMS的“数据的表现”，WFS的结果集是由完整的Schema定义和约束的结果集，以GML为载体。这个结果集，类似于桌面程序查询结果的数据表。
5、WCS
Web栅格服务（WCS，Web Coverage Service）：提供的是包含了地理位置信息或属性的空间栅格图层，而不是静态地图的访问。根据HTTP客户端要求发送相应数据，包括影像，多光谱影像和其它科学数据.
有二个重要操作GetCapabilities，GetCoverage
GetCapabilities返回一个描述服务和XML文档，从中可获取覆盖的数据集合。
GetCoverage是在GetCapabilities确定查询方案和需要获取的数据之后执行，返回覆盖数据。
还有可选操作DescribeCoverageType。
WCS对应基于栅格数据的功能，与WMS基于矢量数据的特点相对应。
6、WCPS
Web CoverageProcessing Service
7、WPS
Web处理服务 (WPS，Web Processing Service) 规范是一种用于在 Web 上提供和执行地理空间处理的国际规范。可通过在发布地理处理服务时启用 WPS 功能来创建 WPS 服务。
服务所需的数据可以通过网络传递，也可以在服务器上提供。该数据可以使用图像数据格式或数据交换标准，如地理标记语言（GML）。计算可以简单地从另一个空间减去一组空间参考数（例如，确定两个季节之间流感病例的差异），也可以像全球气候变化模型一样的复杂。
就是发布GP工具到服务。
GP (Geoprocessing)空间处理、地理处理
GP服务是个非常有用的工具，几乎所有的桌面版的地处理工具都可以发布称GP服务。
8、MVT（VT）
矢量切片（VT，Vector Tiles），之所以也叫 MVT 是因为矢量切片是MapBox定义的一种开放的矢量地图标准，现在已经成为OGC的标准之一。
矢量切片的有优点：
➤ 数据在客户端渲染，而不是在服务器端。这样允许不同的地图应用程序使用不同样式渲染同一个地图，而不是在服务器进行预先的配置；
➤ 矢量切片的大小通常比瓦片图小，这可以使得数据传输得更快以及使用更低的带宽；
➤ 适配客户端屏幕，根据屏幕解析度进行高精度矢量渲染
主要支持的数据格式如下表：
对于怎么发布矢量切片，有几种不同的方式：
➤ GeoServer 发布矢量切片
➤ ArcGIS 发布矢量切片
➤ 基于PostGIS 实现矢量切片（配合自己编码实现）
此部分参考：
https://blog.csdn.net/wildboy2001/article/details/7743350 OGC系列文章介绍
https://blog.csdn.net/warrenwyf/article/details/5711482 OGC简介
瓦片图（金字塔）原理，以及请求
https://blog.csdn.net/hailuoli/article/details/78741872
https://blog.csdn.net/ahence/article/details/44057681
https://www.cnblogs.com/GISQZC/p/5582712.html 瓦片地图的前世今生
五、GIS厂商介绍
1、开源
1.1、 QGIS（原称Quantum GIS）
QGIS（原称Quantum GIS）是一个跨平台的桌面GIS软件。它提供数据的显示、编辑和分析功能，可以自动生成地图，并且能够处理地理空间数据，最后形成你期待的地图数据。它于2004年成为地理空间开源基金会的一个孵化项目。
QGIS是以C++、Python、Qt为编程语言的跨平台应用，可以在多种操作系统上运行，包括Mac OS X、Linux、UNIX和Microsoft Windows。
QGIS的最大特点在于界面很友好，熟悉ArcGIS的人都能很快的掌握QGIS的操作，支持WMS并无缝集成PostGIS（对象-关系型数据库管理系统），几乎完全照搬了GRASS的分析功能，因此其分析功能也很强大。相较于商业GIS，QGIS的文件体积更小，需要的内存和处理能力也更小，因此它可以在旧的硬件上或CPU运算能力被限制的环境下运行。
目前，QGIS被志愿者开发团体持续维护，已被翻译为31种语言，广泛使用在全世界的学术和专业环境中。
1.2、GRASS GIS
GRASS GIS (Geographic Resources
Analysis Support System）是开源代码的地理资源分析支持系统，可用于处理栅格、拓扑矢量、影像和图表数据；优势尤其在于选择分析、图像处理、数字地形操作和统计数据。
GRASS 最早是由美国陆军工程兵团作为土地管理和环境规划的工具。在GPL下发布，可以在多个平台上运行，包括Mac OS X、Windows和Linux。用户可以通过图形用户界面使用该软件功能；也可以通过改进直接使用它的模块。
当前的 GRASS 6版本采用新的拓扑 2D/3D 矢量引擎并支持矢量网络分析。该系统可以胜任3D矢量图形数据和立体像素的可视化，也支持线性参考系统。
GRASS 是开源地理空间基金会最初的八个软件项目之一。由于它的直观和可靠性，它已经广泛用于不同的领域（学术界、环境咨询公司和政府机构），例NASA、美国国家海洋和大气管理局、美国农业部和美国地质调查局等。
GRASS GIS (Geographic Resources
Analysis Support System）是开源代码的地理资源分析支持系统，可用于处理栅格、拓扑矢量、影像和图表数据；优势尤其在于选择分析、图像处理、数字地形操作和统计数据。
GRASS 最早是由美国陆军工程兵团作为土地管理和环境规划的工具。在GPL下发布，可以在多个平台上运行，包括Mac OS X、Windows和Linux。用户可以通过图形用户界面使用该软件功能；也可以通过改进直接使用它的模块。
当前的 GRASS 6版本采用新的拓扑 2D/3D 矢量引擎并支持矢量网络分析。该系统可以胜任3D矢量图形数据和立体像素的可视化，也支持线性参考系统。
GRASS 是开源地理空间基金会最初的八个软件项目之一。由于它的直观和可靠性，它已经广泛用于不同的领域（学术界、环境咨询公司和政府机构），例NASA、美国国家海洋和大气管理局、美国农业部和美国地质调查局等。
1.3、GeoServer
GeoServer(http://geoserver.org/)是一个符合J2EE规范，且实现了WCS、WMS及WFS规格，支持TransactionWFS(WFS-T)，其技术核心是整合了颇负盛名的JavaGISolkit--GeoTools。对于空间信息存储，它支持ESRI Shapefile及PostGIS、Oracle、ArcSDE等空间数据库，输出的GML档案满足GML2.1的要求。由于它是纯Java的，所以更适合于复杂的环境要求，而且由于它的开源，所以开发组织可以基于GeoServer灵活实现特定的目标要求，而这些都是商业GIS组件所缺乏的。
GeoServer 是 OpenGIS Web 服务器规范的 J2EE 实现，利用 GeoServer 可以方便的发布地图数据，允许用户对特征数据进行更新、删除、插入操作，通过 GeoServer 可以比较容易的在用户之间迅速共享空间地理信息。GeoServer是社区开源项目，可以直接通过社区网站下载，详细请查看本文档末的资源表。
GeoServer作为一个纯粹的Java实现，被部署在应用服务器中，简单的如Tomcat等；它的WMS和WFS组件响应来自于浏览器或uDig的请求，访问配置的空间数据库，如PostGIS、OracleSpatial等，产生地图和GML文档传输至客户端。
2、商业
ArcGIS
介绍（公司介绍、授权、套件组成）
应用场景（发布底图服务、发布矢量数据服务、数据处理、数据加工）
GIS 开发中的一些技术集成方案，包含：数据库、桌面处理软件、发布服务、开发库等一系列的。从现有的软件体系，可以有下面解决方案：
ArcGIS 套件（ARCSDE + ArcCatalog + ArcMap + ArcEngine + ArcGIS Server + ArcGIS JS API）
开源方案：PostgreSQL（PostGIS）+ QGIS + GeoServer + Openlayers/Mapbox + Turf.js + GDAL
参考文章
存储部分：
https://www.jianshu.com/p/a216d120cbac?from=timeline
http://www.360doc.com/content/17/0406/18/35378950_643407279.shtml
坐标系部分：
https://blog.csdn.net/liuph_/article/details/51870725 (通俗易懂细说坐标系、投影)
https://blog.csdn.net/qq_34149805/article/details/65634252(你必须知道的地理坐标系和投影坐标系)
https://www.cnblogs.com/gispathfinder/p/6087576.html(北京54转WGS84坐标系方法)
https://www.cnblogs.com/xieqianli/p/4186281.html 地球坐标系与投影方式的理解(关于北京54,西安80,WGS84;高斯,兰勃特,墨卡托投影)
开源GIS：
https://blog.csdn.net/happyduoduo1/article/details/51773850(开源谈GIS)
