我之前的几篇文章都有提到过地理坐标系，这是实现地图应用绕不过去的一个知识点。
坐标系说白了就是给地球表面的位置划分经纬度的一套系统，用经纬度描述位置，单位一般是度。
之前也聊过投影相关的内容，今天就把坐标系的知识点串一串。本文是一篇网络整合文，当然也结合了我自己的一些验证数据。关于地图的坐标系网络上文章不少，但对于绝大部分人来收，看我这一篇就够了。
地理坐标系 vs 投影坐标系
一句话分清：投影坐标系（PROJCS）是平面坐标系，单位是米；地理坐标系（GEOGCS）是椭球面坐标系，单位是经纬度。投影坐标系是由地理坐标系通过投影算法转换而来。
| 对比维度 | 地理坐标系（GCS） | 投影坐标系（PCS） |
|---|---|---|
| 坐标本质 | 球面坐标，角度单位（度） | 平面坐标，长度单位（米/千米） |
| 计算能力 | 不能直接计算距离、面积 | 可直接用平面公式计算距离、面积 |
| 核心用途 | 全球定位，记录地理位置 | 地图制图、空间分析 |
大地基准面：椭球体的"定位锚点"
先提一个概念------大地基准面。椭球体其实就是个数学模型，而大地基准面的作用，就是把这个数学模型和地球真实表面绑定起来，简单说就是通过平移、旋转椭球体，让它尽可能贴合特定区域的地球表面（大地水准面）。
基准面主要分两类：
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地心基准面：椭球体中心和地球质心重合，是全球通用的，比如我们熟悉的WGS84、国内的CGCS2000都属于这类。
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区域基准面：椭球体中心偏离地球质心，是专门为特定区域优化的。比如我国早期用的北京54基准面、西安80基准面，都是为了适配中国本土地形设计的。
同一经纬度，基于不同基准面的实际位置可能差几十米甚至上百米。不过现在地心基准面是主流，区域基准面已经很少用了，我们知道有这么个东西就行。
说到区域基准面，就不得不提我国的大地原点------位于陕西省咸阳市泾阳县永乐镇北流村。之所以选在这，就是因为它地处中国大陆中部，便于数据均匀推算。西安80就是基于这个大地原点实现的，缺了原点，基准面就成了"无锚之船"，没法准确落地到真实的地球表面。
常见坐标系
| 坐标系名称 | 核心参数 | 特点与适用场景 |
|---|---|---|
| WGS84 | 椭球：WGS84（长半轴6378137m，扁率1/298.257223563）； 基准面：地心基准面 | 全球通用，GPS定位、谷歌地图、OpenStreetMap、Mapbox的原生坐标系；Web开发中最基础的地理坐标系，经纬度可直接转换为Web墨卡托投影。 |
| CGCS2000（2000 国家大地坐标系） | 椭球：CGCS2000（参数与WGS84几乎一致）； 基准面：地心基准面 | 中国国家强制标准，国土测绘、规划、国内GIS项目（如天地图）的必须坐标系；与WGS84坐标偏差极小，实际开发中可近似兼容（高精度场景需转换），也是北斗导航系统使用的坐标系。 |
| 北京54（BJ54） | 椭球：克拉索夫斯基椭球；基准面：区域基准面（参考苏联普尔科沃原点） | 我国早期坐标系，精度较低，目前逐步被CGCS2000替代；仅用于处理老旧测绘数据。 |
| 西安80（XA80） | 椭球：IAG75椭球； 基准面：区域基准面（锚定中国泾阳大地原点） | 北京54的升级版本，曾是国内主流坐标系；目前仍有部分历史数据使用，需转换为CGCS2000后使用。 |
| GCJ-02（国测局02） （火星坐标系） | 基于WGS84加密而来 | 国内高德、百度、腾讯地图的加密坐标系；GPS采集的WGS84坐标需加密后才能在国内地图上准确定位，反之解密需合规授权。 |
各大地图厂商的坐标系
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天地图：天地图属于国家队，用的是CGCS2000（2000国家大地坐标系）。实际开发中，我们常用WGS84坐标代替CGCS2000，因为两者定义实质一致，参考椭球参数非常接近，扁率差异带来的纬度和高度变化小到厘米级。在常规精度范围内，这点差异通常可以忽略。
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高德地图、腾讯地图：用的就是标准的GCJ-02火星坐标系。火星坐标是国家测绘局为了国家安全，在原始WGS84坐标基础上做偏移得到的，国内几乎所有电子地图、导航设备都用这个坐标系。而且要注意，火星坐标没有精确的反向解密算法。
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百度地图：用的是BD09II坐标。在火星坐标（GCJ-02）的基础上又做了一次二次加密，形成了专属的百度坐标（BD-09）。
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Google Map、OSM：海外厂商不用怀疑，就是WGS84。（google中国曾经也用过GCJ02）
示例
以瓦片位置：z: 14 x: 13597 y: 6651为例
左边是google无偏移（WGS-84）右边是google有偏移（GCJ02）
上面是天地图（CGCS2000，和WGS-84基本一致）
上面是高德（GCJ02）
上面是腾讯（GCJ02）
上面是OSM（WGS-84）
百度会有更大的偏移（BD-09 在 GCJ02基础上2次加密，很难解析）
重点拆解：火星坐标系（GCJ-02）
火星坐标系的核心规则与加密逻辑
首先，中国大陆所有公开地理数据，都必须至少用GCJ-02进行加密，绝大部分国内互联网地图提供商都遵循这个规则，包括高德、谷歌地图中国区等。GCJ-02的坐标偏移量不是固定的，最小值约0.000213487度（对应地面20多米），最大值约0.0104393度（对应地面1公里多，不过这个偏移量对应的地点已经超出我国范围了）。
这里要注意一个细节：底层接口（比如HTML5 Geolocation、iOS或安卓的定位API）通过GPS设备获取的坐标，本质还是WGS84坐标系，必须经过加密转换才能和国内地图匹配上。
GCJ02在各地的误差大致如下：（参考https://www.cnblogs.com/xiaowangba/p/6313913.html）
GCJ-02加密流程
火星坐标的加密有固定流程，核心是国家保密插件：
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地图生产阶段：厂商先把测绘好的原始WGS84坐标数据，送到国家测绘局，用专门的保密插件（也叫加密插件、加偏或SM模组）做非线性加偏处理，处理后的地图才符合GCJ-02标准，才能公开使用。
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设备适配阶段：导航仪、手机地图APP等终端设备，都要集成这个保密插件。这样设备接收的GPS真实WGS84坐标，才能实时转换成GCJ-02坐标，保证定位位置和地图显示能对应上。
这个保密插件的核心是非线性加偏算法，偏移量各地不同、方向也不固定，而且算法是国家机密，不对外公开。每次去测绘局加密都要预约，还得在封闭环境中进行，编译后的文件直接打包进主程序EXE，不能做成外部DLL文件，为了防止有人逆向破解。
另外，保密插件不是免费用的，需要购买许可。早期是按设备收费，一台导航仪收10块钱；后来改成，按预估地图发行量一次性收取几百万，再由地图公司和导航软件客户分摊成本。
Web开发中：WGS84（GPS经纬度）转GCJ02的实现方式
Web开发中，地图数据是GCJ02坐标。定位的时候拿到的是WGS84，所以需要把定位的经纬度转成GCJ02，才能在地图上正确显示。核心原则是：优先用官方/厂商接口保证合规与精度，自用场景可备选开源拟合方案。
一、推荐方案：调用地图厂商官方接口
国内主流地图厂商（高德、百度、腾讯）均提供坐标转换API，可直接将WGS84坐标转为对应坐标系（高德/腾讯直接转GCJ02，百度需先转GCJ02再转BD09），接口适配Web端调用，且符合国家地理信息安全要求。
优势：完全合规，精度贴合官方标准，适配各类终端Web场景（PC端、移动端H5）；
劣势：依赖厂商接口，需申请密钥，存在调用频率/额度限制，部分商用场景需付费。
二、备选方案：开源拟合算法
如GitHub上的wgs2mars.js、coordtransform等库，这类库基于实测数据反向推导经验公式，实现WGS84到GCJ02的近似转换。
使用注意：
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精度有限，在城市核心区误差约5-20米，边境、敏感区域误差会显著增大；
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理论上属于非法工具。
GCJ-02的现状：名存实亡但无法完全破解
网络上的一些坐标转换代码，其实这些都是开发者通过实测拟合、逆向推测出来的经验公式，只能满足部分民用场景，达不到官方精度，尤其是在边境、敏感区域，误差会特别大，而且理论上这类工具是非法的。但事实上也有很多小型软件在用这些工具实现转换。
如果从国家安全来说，GCJ02也仅仅是套了一层外衣，很难实现本质的信息保护。即使不考虑非法的转换，获取各大地图厂商的API也不是什么难事，并且天地图官方提供的地图（CGCS2000）已经和WGS84几乎一致了。
很多有人说GCJ-02已经名存实亡，其实也能理解------它诞生的时候，没人能预料到硬件计算力会发展这么快。但即便如此，GCJ-02也不可能被完全破解，因为它没有解析解，最多只能做到非100%的近似纠偏，始终达不到官方的加密和解密标准。
实用工具分享
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查看不同地图厂商坐标显示差异：https://map.bmcx.com/，输入同一经纬度，就能直观看到各大地图的显示位置差别。
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坐标系转换工具：https://tool.lu/coordinate/，支持常见坐标系之间的转换，适合民用场景粗略使用。
参考资料
最后，我会继续写一些文章来介绍这些内容：
- 地图合规（https://blog.csdn.net/tzy233/article/details/156914011）
- 地图投影（https://blog.csdn.net/tzy233/article/details/156996224）
- 地图开发工具
- 离线地图
- 3D地图