Cesium定义并使用国家2000坐标系

前言

  自从2017年自然资源部发文要求使用国家2000坐标系以来，各地区各部门已经逐渐开始使用国家2000坐标系（CGCS2000），并逐步实现将已有的北京54、西安80坐标系转换到国家2000坐标系。但是目前最火爆的三维地理信息框架Cesium，其中使用的默认坐标系仍然是WGS84坐标系。为了方便使用，下文中皆称为2000坐标系和84坐标系。本文正是基于此，将坐标系修改为2000坐标系，并对比修改前后的效果。当然，修改坐标系并不是简单的将椭球参数改为2000参数即可，需将对应的一整套数据、服务，全部转为2000。本文正是在这一实践过程中总结而来。

1 常用椭球参数

坐标系	椭球	长半轴（a）	短半轴（b）	扁率 (a-b) / a
北京54	克拉索夫斯基椭球	6378245	6356863.0187730473	0.0033523298692592
西安80	1975国际椭球	6378140	6356755.288157528	0.003352813177897
WGS84	WGS84椭球体	6378137	6356752.3142451795	0.0033528106647476
国家2000	国家2000坐标系椭球	6378137	6356752.3141403558	0.0033528106811825

2 Cesium中定义CGCS2000椭球

  Cesium中通过Ellispoid类定义椭球的，该类中定义了一个常量Ellipsoid.WGS84

/*** An Ellipsoid instance initialized to the WGS84 standard.** @type {Ellipsoid}* @constant*/
Ellipsoid.WGS84 = Object.freeze(new Ellipsoid(6378137.0, 6378137.0, 6356752.3142451793)
);

  照猫画虎，我们新增一个Ellipsoid.CGCS2000常量即可

/**
* An Ellipsoid instance initialized to the CGCS2000 standard.
*
*
* @type {Ellipsoid}
* @constant
*/
Ellipsoid.CGCS2000 = Object.freeze(new Ellipsoid(6378137.0, 6378137.0, 6356752.3141403558)
);

  为了方便测试，我们直接将Ellipsoid.WGS84的参数修改为2000的值，这样其他的地方调用WGS84常量的地方我们就不用修改了。

/**
* An Ellipsoid instance initialized to the WGS84 standard.
*
* @type {Ellipsoid}
* @constant
*/
Ellipsoid.WGS84 = Object.freeze(// new Ellipsoid(6378137.0, 6378137.0, 6356752.3142451793)new Ellipsoid(6378137.0, 6378137.0, 6356752.3141403558)
);

3 空间服务CGCS2000化

  好了，现在来到了最关键的地方了。Cesium只是用来加载数据的，它决定不了数据源的坐标系，因此我们需要将数据源改为2000的坐标系。那么有哪些数据需要需要转为2000坐标系呢？自然是影像和地形。

3.1 影像服务的2000化

  第一步自然是栅格影像数据转2000坐标系，很多人都用的ArcGIS转2000坐标系,使用投影栅格工具，但是可能会遇到无效的投影变换错误。而在自定义地理变换时，对着一堆方法及其对应的参数又很无奈，一脸懵逼，不知道是什么意思。



  在此，我想说的是，这个错误通过上面的方法一般都是能成功的。比如作者使用ArcGIS10.3成功了，使用ArcGIS10.8却遇到了无效的地理变换错误。因此我可以肯定这是一个ArcGIS的Bug。也有可能是因为我们使用的破解版…
  那么还有其他解决方案吗？那当然，使用QGIS进行坐标转换！

3.2 使用QGIS进行坐标转换

  在QGIS中的很多操作都比ArcGIS要简单很多,而且QGIS使用起来非常简单，QGIS的安装也很简单，绿色版安装包只占了100多兆，真是不可思议。我知道很多GISer都是从ArcGIS起步的，对QGIS一无所知，因此我建议广大GISer可以试试QGIS，你会发现新大陆的。

3.3 地形服务的2000化

  地形服务的2000化其实和影像服务的2000化是类似的，因为DEM也是tif文件，也需要通过ArcGIS或QGIS转为2000的坐标系，唯一不同的是，转换完毕之后需要进行terrain文件的制作，可以使用开源的CesiumTerrainBuilder或CesiumLab封装好的工具，此处过于简单，我们直接略过。

4 对比

  在一切工作准备完毕后，就开始使用GeoServer进行服务的发布，由于我之前已经修改了GeoServer的源码，使得GeoServer可以发布terrain文件了，而影像数据本来GeoServer就是支持的，现在已经一切具备，是时候发布2000服务并加载测试。首先要说明的是，我们对比的方式是，将地图缩放到最大的层级上，直到地图放不大为止，找一个固定的点来查看经度、纬度和高程的值。

4.1 Cesium使用2000坐标系和84坐标系加载84服务

  首先可以得出的结论是，Cesium使用2000坐标系时，也可以加载WGS84的服务（影像和地形），Cesium使用2000坐标系和84坐标系加载84服务，通过拾取坐标，得到的差异很小，仅在高程上有一些差别。

4.2 Cesium使用2000坐标系和84坐标系加载2000服务

  类似的，Cesium使用2000坐标系和84坐标系加载2000服务，通过拾取坐标，得到的差异也很小，也仅在高程上有一些差别。

4.3 Cesium使用2000坐标系加载2000服务和84坐标系加载84服务

  前面两个都是服务不变，仅更改Cesium中的坐标系时的对比效果，现在我们来试试服务和Cesium同时改动，看看是什么效果，首先是Cesium使用84坐标系加载84服务

然后是Cesium使用2000坐标系加载2000服务

  可以看出，其实和之前两次的对比结果是类似的，同一个位置的得到的经纬度信息是相同的，仅仅是在高程方面显示了微小的差异。

5 总结

  本文通过梳理在Cesium中使用2000椭球和84椭球的相关参数，最终通过修改默认椭球，实现了在Cesium中定义并使用2000坐标系，并通过修改GIS数据、服务的坐标系，对比了在Cesium中使用2000坐标系和84坐标系时，分别加载2000和84的服务，得出了以下结论：

1. Cesium中默认使用的是WGS84椭球的长短半轴参数，即WGS84坐标系。
2. 在Cesium中可以定义并使用国家2000坐标系。
3. Cesium中使用国家2000坐标系和WGS84坐标系加载WGS84服务，拾取到的经纬度相同，高程偏差在毫米级。
4. Cesium中使用国家2000坐标系和WGS84坐标系加载国家2000服务，拾取到的经纬度相同，高程偏差在毫米级。
5. Cesium中使用国家2000坐标系加载 国家2000服务 和使用WGS84坐标系加载WGS84服务，拾取到的经纬度相同，高程偏差在毫米级。
6. 在对高程精度要求不是很高的情况下，国家2000服务和WGS84服务可以相互替代。

注：本文中提及到的国家2000服务和WGS84服务皆指的是地理坐标系，即球面坐标。