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Python实现WGS84火星百度及web墨卡托四种坐标系相互转换

作者:费弗里

主流被使用的地理坐标系并不统一,常用的有WGS84、GCJ02(火星坐标系)、BD09(百度坐标系)以及百度地图中保存矢量信息的web墨卡托,本文利用Python编写相关类以实现4种坐标系统之间的互相转换

一、背景简介

主流被使用的地理坐标系并不统一,导致我们从不同平台下载的数据由于坐标系的差异往往对不齐。这个现象在多源数据处理的时候往往很常见,因此需要进行坐标转换。

几种常见的坐标系

WGS84坐标系:即地球坐标系(World Geodetic System),国际上通用的坐标系。设备包含的GPS芯片或者北斗芯片获取的经纬度一般都是为WGS84地理坐标系,目前谷歌地图采用的是WGS84坐标系(中国范围除外)。

GCJ02坐标系:GCJ-02是由中国国家测绘局(G表示Guojia国家,C表示Cehui测绘,J表示Ju局)制订的地理信息系统的坐标系统。由WGS84坐标系经加密后的坐标系。谷歌中国采用的GCJ02地理坐标系。也称:火星坐标系。

BD09坐标系:即百度坐标系,GCJ02坐标系经加密后的坐标系。

Web 墨卡托投影坐标系:也称web墨卡托,是如今主流的Web地图使用的坐标系,如国外的 Google Maps,OpenStreetMap,Bing Map,ArcGIS 和 Heremaps 等,国内的百度地图、高德地图、腾讯地图和天地图等也是基于Web墨卡托,与地理坐标系不同,投影坐标系的单位是m(由于国内政策的原因,国内地图会有加密要求,一般有两种情况,一种是在 Web墨卡托的基础上经过国家标准加密的国标02坐标系,熟称“火星坐标系”;另一种是在国标的02坐标系下进一步进行加密,如百度地图的BD09坐标系)。
墨卡托投影的“等角”特性,保证了对象的形状的不变行,正方形的物体投影后不会变为长方形。“等角”也保证了方向和相互位置的正确性,因此在航海和航空中常常应用,而Google们在计算人们查询地物的方向时不会出错。

二、代码及说明

import math
class LngLatTransfer():
    def __init__(self):
        self.x_pi = 3.14159265358979324 * 3000.0 / 180.0
        self.pi = math.pi  # π
        self.a = 6378245.0  # 长半轴
        self.es = 0.00669342162296594323  # 偏心率平方
        pass
    def GCJ02_to_BD09(self, gcj_lng, gcj_lat):
        """
        实现GCJ02向BD09坐标系的转换
        :param lng: GCJ02坐标系下的经度
        :param lat: GCJ02坐标系下的纬度
        :return: 转换后的BD09下经纬度
        """
        z = math.sqrt(gcj_lng * gcj_lng + gcj_lat * gcj_lat) + 0.00002 * math.sin(gcj_lat * self.x_pi)
        theta = math.atan2(gcj_lat, gcj_lng) + 0.000003 * math.cos(gcj_lng * self.x_pi)
        bd_lng = z * math.cos(theta) + 0.0065
        bd_lat = z * math.sin(theta) + 0.006
        return bd_lng, bd_lat
    def BD09_to_GCJ02(self, bd_lng, bd_lat):
        '''
        实现BD09坐标系向GCJ02坐标系的转换
        :param bd_lng: BD09坐标系下的经度
        :param bd_lat: BD09坐标系下的纬度
        :return: 转换后的GCJ02下经纬度
        '''
        x = bd_lng - 0.0065
        y = bd_lat - 0.006
        z = math.sqrt(x * x + y * y) - 0.00002 * math.sin(y * self.x_pi)
        theta = math.atan2(y, x) - 0.000003 * math.cos(x * self.x_pi)
        gcj_lng = z * math.cos(theta)
        gcj_lat = z * math.sin(theta)
        return gcj_lng, gcj_lat
    def WGS84_to_GCJ02(self, lng, lat):
        '''
        实现WGS84坐标系向GCJ02坐标系的转换
        :param lng: WGS84坐标系下的经度
        :param lat: WGS84坐标系下的纬度
        :return: 转换后的GCJ02下经纬度
        '''
        dlat = self._transformlat(lng - 105.0, lat - 35.0)
        dlng = self._transformlng(lng - 105.0, lat - 35.0)
        radlat = lat / 180.0 * self.pi
        magic = math.sin(radlat)
        magic = 1 - self.es * magic * magic
        sqrtmagic = math.sqrt(magic)
        dlat = (dlat * 180.0) / ((self.a * (1 - self.es)) / (magic * sqrtmagic) * self.pi)
        dlng = (dlng * 180.0) / (self.a / sqrtmagic * math.cos(radlat) * self.pi)
        gcj_lat = lat + dlat
        gcj_lng = lng + dlng
        return gcj_lng, gcj_lat
    def GCJ02_to_WGS84(self, gcj_lng, gcj_lat):
        '''
        实现GCJ02坐标系向WGS84坐标系的转换
        :param gcj_lng: GCJ02坐标系下的经度
        :param gcj_lat: GCJ02坐标系下的纬度
        :return: 转换后的WGS84下经纬度
        '''
        dlat = self._transformlat(gcj_lng - 105.0, gcj_lat - 35.0)
        dlng = self._transformlng(gcj_lng - 105.0, gcj_lat - 35.0)
        radlat = gcj_lat / 180.0 * self.pi
        magic = math.sin(radlat)
        magic = 1 - self.es * magic * magic
        sqrtmagic = math.sqrt(magic)
        dlat = (dlat * 180.0) / ((self.a * (1 - self.es)) / (magic * sqrtmagic) * self.pi)
        dlng = (dlng * 180.0) / (self.a / sqrtmagic * math.cos(radlat) * self.pi)
        mglat = gcj_lat + dlat
        mglng = gcj_lng + dlng
        lng = gcj_lng * 2 - mglng
        lat = gcj_lat * 2 - mglat
        return lng, lat
    def BD09_to_WGS84(self, bd_lng, bd_lat):
        '''
        实现BD09坐标系向WGS84坐标系的转换
        :param bd_lng: BD09坐标系下的经度
        :param bd_lat: BD09坐标系下的纬度
        :return: 转换后的WGS84下经纬度
        '''
        lng, lat = self.BD09_to_GCJ02(bd_lng, bd_lat)
        return self.GCJ02_to_WGS84(lng, lat)
    def WGS84_to_BD09(self, lng, lat):
        '''
        实现WGS84坐标系向BD09坐标系的转换
        :param lng: WGS84坐标系下的经度
        :param lat: WGS84坐标系下的纬度
        :return: 转换后的BD09下经纬度
        '''
        lng, lat = self.WGS84_to_GCJ02(lng, lat)
        return self.GCJ02_to_BD09(lng, lat)
    def _transformlat(self, lng, lat):
        ret = -100.0 + 2.0 * lng + 3.0 * lat + 0.2 * lat * lat + \
              0.1 * lng * lat + 0.2 * math.sqrt(math.fabs(lng))
        ret += (20.0 * math.sin(6.0 * lng * self.pi) + 20.0 *
                math.sin(2.0 * lng * self.pi)) * 2.0 / 3.0
        ret += (20.0 * math.sin(lat * self.pi) + 40.0 *
                math.sin(lat / 3.0 * self.pi)) * 2.0 / 3.0
        ret += (160.0 * math.sin(lat / 12.0 * self.pi) + 320 *
                math.sin(lat * self.pi / 30.0)) * 2.0 / 3.0
        return ret
    def _transformlng(self, lng, lat):
        ret = 300.0 + lng + 2.0 * lat + 0.1 * lng * lng + \
              0.1 * lng * lat + 0.1 * math.sqrt(math.fabs(lng))
        ret += (20.0 * math.sin(6.0 * lng * self.pi) + 20.0 *
                math.sin(2.0 * lng * self.pi)) * 2.0 / 3.0
        ret += (20.0 * math.sin(lng * self.pi) + 40.0 *
                math.sin(lng / 3.0 * self.pi)) * 2.0 / 3.0
        ret += (150.0 * math.sin(lng / 12.0 * self.pi) + 300.0 *
                math.sin(lng / 30.0 * self.pi)) * 2.0 / 3.0
        return ret
    def WGS84_to_WebMercator(self, lng, lat):
        '''
        实现WGS84向web墨卡托的转换
        :param lng: WGS84经度
        :param lat: WGS84纬度
        :return: 转换后的web墨卡托坐标
        '''
        x = lng * 20037508.342789 / 180
        y = math.log(math.tan((90 + lat) * self.pi / 360)) / (self.pi / 180)
        y = y * 20037508.34789 / 180
        return x, y
    def WebMercator_to_WGS84(self, x, y):
        '''
        实现web墨卡托向WGS84的转换
        :param x: web墨卡托x坐标
        :param y: web墨卡托y坐标
        :return: 转换后的WGS84经纬度
        '''
        lng = x / 20037508.34 * 180
        lat = y / 20037508.34 * 180
        lat = 180 / self.pi * (2 * math.atan(math.exp(lat * self.pi / 180)) - self.pi / 2)
        return lng, lat

整个模块的使用方式可用下面的导图概括,其中每个函数都只需要传入经纬度坐标信息:

以上就是Python实现WGS84火星 百度及web墨卡托四种坐标相互转换的详细内容,更多关于Python坐标相互转换的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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