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基于 ArcGIS 的坐标系转换

被水淹没

发布于 2023-02-25 11:21:23

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基于 ArcGIS 的坐标系转换

在开发 GIS 相关系统的时候，我们常常遇见坐标转换的问题。

这里先大致介绍下坐标系的原理。

坐标系

我们常用到的坐标系一般分为两大类

地理坐标系（GCS）
投影坐标系（PCS）

地理坐标系就是把地球当成一个球体来看，以球心为参照点，通过经纬度来定位某个坐标点。

投影坐标系是指把地球这个球体垂直投影在一个平面。

图片引用自数据规划那点事儿

投影坐标系

由于我们地球并非一个完美球体，而是凹凸不平的球体。面对地球表面的复杂地理环境，各地所使用的坐标系也就各不相同。

凹凸不平的地球

我国常见的地理坐标系有：

北京54 坐标系
西安80 坐标系
WGS-84 坐标系
大地2000 坐标系
其他独立坐标系（如火星坐标系、百度坐标系等，做了一定的变形与加密，目的是为了保护真实坐标，防止被恶意利用。）

地理坐标系进行水平面投影后，即可得到投影坐标系，常用投影坐标系：

UTM 投影
高斯-克吕格投影
兰伯特正形圆锥投影

WKID

这里还得介绍下 WKID，由于各地使用了不同的坐标系、不同的投影方式、不同的投影分带，我们为众多的坐标系统打上一个唯一编号，也就是 WKID。

WKID 是一个ID，它的内容被称为WKT（Well-known Text），WKT 的二进制表现方式叫做WKB(well-known binary) 。WKT 包含内容如下：

总坐标系名
地理图形坐标系统名
基准面定义
椭球体的名字。长半轴和反扁率
本初子午线名和其与格林威治子午线的偏移值
投影方法类型（如横轴莫卡托）
投影参数列表（如中央经线等）
一个单位的名称和其米和弧度单位的转换参数
轴线的名称和顺序
在预定义的权威坐标系中的编码（如 EPSG）

举例：

["UTM Zone 19, Northern Hemisphere",(总体投影坐标带名字)
  GEOGCS["Geographic Coordinate System",(地理坐标系统名)      
    DATUM["NAD83",(基准面)
      SPHEROID["GRS 1980",6378137,298.2572220960423]椭球体，半径和反偏率
    ],
    PRIMEM["Greenwich",0],(中央经线，子午线)
    UNIT["degree",0.0174532925199433](转换因子 ""degree",0.0174532925199433" ""degree",0.0174532925199433")
  ],
  PROJECTION["Transverse_Mercator"], (投影方式)
  PARAMETER["latitude_of_origin",0], (起始经度)
  PARAMETER["central_meridian",-69], (中央经线)
  PARAMETER["scale_factor",0.9996],  (缩放比率)
  PARAMETER["false_easting",500000], (坐标整体向东偏移)
  PARAMETER["false_northing",0],     (坐标向北偏移)
  UNIT["Meter",1]                    (单位米)
]

重点主题来了

在开发 GIS 相关系统的时候，我们常常遇见坐标转换的问题。

比较常见的转换，例如WGS-84转百度BD09坐标系、转大地2000坐标系等网上都有很多实现，国内的地图服务商（如百度、腾讯等）也有提供转换接口可供使用，但当你遇到一些比较特别的坐标系的时候，就需要自己来转换了。

经调研，有以下几种实现方式：

手动实现
GDAL (OSGeo)
GeoTools (OSGeo)
ArcGIS

手动实现：通过三参数七参数来计算出不同坐标系的转换结果，由于计算过程复杂，参数一般也不公开，需要向政府申请获取，总体来说比较麻烦。

GDAL：GDAL 是栅格和矢量地理空间数据格式的翻译库，隶属于OSGeo(开源地理空间基金会)下的开源产品，它提供了任意栅格/矢量文件转换与处理。（如果有需要进行栅格/矢量文件转换与处理的话，可以选择 GDAL-ORG）

GeoTools：也隶属于OSGeo(开源地理空间基金会)下的开源产品，为地理空间数据提供工具。（如果单纯转坐标系，可以选择，GeoTools 只需引入包即可进行转换，很方便）

ArcGIS：由ESRI出品的一个地理信息系统系列软件。

考虑到后续可能要转 GIS 地图，所以这里选了 ArcGIS 的方式来转换坐标系。

java8 最高可使用100.4.0版本，如果是 java11 可以自己填最新的 ArcGIS 版本号。

正式开始

这里先放个调用 ArcGIS 的示例。

SpatialReference 空间参考坐标系A = SpatialReference.create( wkidA );
SpatialReference 空间参考坐标系B = SpatialReference.create( wkidB );
Point A点= new Point(x, y, 空间参考坐标系A);
Point B点= (Point) GeometryEngine.project(A点,空间参考坐标系B);

如果是某地区的独立坐标，可能没有 wkid，这时就得自己编写 WKT 文本（相当于自定义一个 wkid）。

这里是去官方拷了下最接近我的需求的 CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E的 WKT 文本，然后稍微修改了下变成了符合我需要的坐标系：

// 自定义一个空间参考坐标系    
String xx2000WktMercator = "PROJCS[\"CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E\"" +
        ",GEOGCS[\"GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000\"" +
        ",DATUM[\"D_China_2000\"" +
        ",SPHEROID[\"CGCS2000\",6378137.0,298.257222101]]" +
        ",PRIMEM[\"Greenwich\",0.0]" +
        ",UNIT[\"Degree\",0.0174532925199433]]" +
        ",PROJECTION[\"Gauss_Kruger\"]" +
        ",PARAMETER[\"False_Easting\",500000.0]" +
        ",PARAMETER[\"False_Northing\",0.0]" +
        ",PARAMETER[\"Central_Meridian\",114.0]" +
        ",PARAMETER[\"Scale_Factor\",1.0]" +
        ",PARAMETER[\"Latitude_Of_Origin\",0.0]" +
        ",UNIT[\"Meter\",1.0]]";

// 创建自定义独立坐标系
SpatialReference xx2000sp = SpatialReference.create(xx2000WktMercator);
// 创建 WGS84 坐标系
SpatialReference wgs84sp = SpatialReference.create(4326);

定义了需要的坐标系后就可以实现从一个独立坐标系转换为 WGS84 的功能，然后再从 WGS84 转成其他的坐标系，如百度的 BD09 等：

// 自定义独立坐标系的点数据
Point pointXx2000 = new Point(lon, lat, xx2000sp);
// 把独立坐标系的点数据转化为 WGS84 点数据
Point pointWgs84 = (Point) GeometryEngine.project(pointXx2000, wgs84sp);
// 获取点数据中的经纬度, X为经度lon,Y为纬度lat
double pointWgs84X = pointWgs84.getX();
double pointWgs84Y = pointWgs84.getY();

环境配置

ArcGIS 不像 GeoTools 那么方便（直接导包即可使用），所以需要配置一下。

第一步：设置私服地址：

由于 ArcGIS 的 maven 库是私服的，需要自己设置私服地址。

maven设置：settings.xml:

<mirror>
    <id>nexus-aliyun</id>
    <mirrorOf>*,!arcgis,!arcgis-plugin</mirrorOf>
    <name>Nexus aliyun</name>
    <url>http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public</url>
</mirror>

重点在<mirrorOf>*,!arcgis,!arcgis-plugin</mirrorOf>，这里我 maven 之前设置过私服，所以要排除掉 ArcGIS 的私服下载，这样的话 maven 会使用项目POM.xml中的自定义配置：

<!--自定义的私服：包括阿里云私服以及arcgis地图工具的私服 -->
<repositories>
    <repository>
        <id>aliyun</id>
        <name>aliyun Repository</name>
        <url>http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public</url>
        <snapshots>
            <enabled>false</enabled>
        </snapshots>
    </repository>
    <repository>
        <id>arcgis</id>
        <url>https://esri.bintray.com/arcgis</url>
    </repository>
</repositories>
<pluginRepositories>
    <pluginRepository>
        <id>arcgis-plugin</id>
        <url>https://esri.bintray.com/arcgis</url>
    </pluginRepository>
</pluginRepositories>

<dependencies>
    <!--ArcGIS Runtime SDK jar dependency  java8最高使用100.4.0版本，如果是java11可以自己填最新版本号-->
    <dependency>
        <groupId>com.esri.arcgisruntime</groupId>
        <artifactId>arcgis-java</artifactId>
        <version>100.4.0</version>
    </dependency>
</dependencies>

<build>
    <plugins>
        <!--ArcGIS Java Maven Plugin-->
        <plugin>
            <groupId>com.esri.arcgisruntime</groupId>
            <artifactId>arcgis-java-maven-plugin</artifactId>
            <version>1.0</version>
            <configuration>
                <!--specify the SDK version-->
                <version>100.4.0</version>
            </configuration>
        </plugin>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
            <version>3.8.0</version>
            <configuration>
                <release>11</release>
            </configuration>
        </plugin>
        <plugin>
            <groupId>org.codehaus.mojo</groupId>
            <artifactId>exec-maven-plugin</artifactId>
            <version>1.6.0</version>
            <executions>
                <execution>
                    <goals>
                        <goal>java</goal>
                    </goals>
                </execution>
            </executions>
            <configuration>
                <mainClass>com.mycompany.app.App</mainClass>
            </configuration>
        </plugin>
        <plugin>
            <groupId>io.takari</groupId>
            <artifactId>maven</artifactId>
            <version>0.7.4</version>
        </plugin>
    </plugins>
</build>

plugin 填写后可以直接执行 maven 命令下载 ArcGIS 依赖库

Mavendependency:unpack

或者在 IDEA 里双击执行：

等同 Mavendependency:unpack

以上操作会自动将本地库下载解压到本机的$USER_HOME/.arcgis文件夹中：

$USER_HOME/.arcgis

也可以直接手动把db文件夹下的.arcgis解压到上面的文件夹中。

API 将自动在此目录中查找以查找本机库（也可以手动指定，如设置环境变量或放至应用根目录，请查阅官方sdk指南）。

如果未正确配置本机库，你将看到类似于以下内容的异常：

Caused by: java.lang.RuntimeException: Could not find runtime in any of:
- A directory specified by calling ArcGISRuntimeEnvironment.setInstallDirectory()
- The current directory C:\Users\johndoe\my-project-directory
- A location specified by the environment variable ARCGISRUNTIMESDKJAVA_100_4_0
- Within the ".arcgis" directory in the user's home path C:\Users\johndoe\.arcgis

手动设置本地库的方法：

设置环境变量：ARCGISRUNTIMESDKJAVA_10****** 指向arcgis的根目录（环境变量名需要使用当前版本的变量名，而 arcgis 本地依赖库目录无须版本号）：

配置环境变量 ARCGISRUNTIMESDKJAVA_100_4_0 指向自定义文件夹 D:testArcGIS

或者直接把本地依赖库放到应用根目录里：

应用根目录

实例

自己实际用的工具类示例：

import com.esri.arcgisruntime.geometry.GeometryEngine;
import com.esri.arcgisruntime.geometry.Point;
import com.esri.arcgisruntime.geometry.SpatialReference;
/**
* 地图坐标转换工具类
*/
public class MapCoordTransUtils {
    /**
     * fs2000 转 wgs84
     */
    private static CoordinatesDTO fs2000ToWgs84(Double lat, Double lon) {
        // 自定义一个空间参考坐标系：佛山2000独立系 
        // 通过zf公开文件得知的值：中央子午线113度和700KM偏移
        String fs2000WktMercator = "PROJCS[\"CGCS2000_3_Degree_GK_CM_113E\"" +
                ",GEOGCS[\"GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000\"" +
                ",DATUM[\"D_China_2000\"" +
                ",SPHEROID[\"CGCS2000\",6378137.0,298.257222101]]" +
                ",PRIMEM[\"Greenwich\",0.0]" +
                ",UNIT[\"Degree\",0.0174532925199433]]" +
                ",PROJECTION[\"Gauss_Kruger\"]" +
                ",PARAMETER[\"False_Easting\",700000.0]" +
                ",PARAMETER[\"False_Northing\",0.0]" +
                ",PARAMETER[\"Central_Meridian\",113.0]" +
                ",PARAMETER[\"Scale_Factor\",1.0]" +
                ",PARAMETER[\"Latitude_Of_Origin\",0.0]" +
                ",UNIT[\"Meter\",1.0]]";

        SpatialReference fs2000sp = SpatialReference.create(fs2000WktMercator);
        SpatialReference wgs84sp = SpatialReference.create(4326);
        // FS2000点数据
        Point pointFs2000 = new Point(lon, lat, fs2000sp);
        // 把FS2000点数据转化为WGS84点数据
        Point pointWgs84 = (Point) GeometryEngine.project(pointFs2000, wgs84sp);
        // 获取点数据中的经纬度, X为经度lon,Y为纬度lat
        double pointWgs84X = pointWgs84.getX();
        double pointWgs84Y = pointWgs84.getY();
        return new CoordinatesDTO(pointWgs84Y, pointWgs84X);
    }

    /**
     * 佛山2000转百度09
     *
     * @param lat =y
     * @param lon =x
     * @return
     */
    public static CoordinatesDTO fs2000ToBD09(Double lat, Double lon) {
        // 先转wgs84
        CoordinatesDTO wgs84 = fs2000ToWgs84(lat, lon);
        // 把wgs84点坐标转化为bdo9点坐标
        // 这里是直接使用别人写好的工具类：
        // https://blog.csdn.net/a13570320979/article/details/51366355 
        // 而且改名为：MapCoordConversionUtils
        double[] gps84ToBd09 = MapCoordConversionUtils.gps84_To_bd09(wgs84.getLat(), wgs84.getLon());
        return new CoordinatesDTO(gps84ToBd09[0], gps84ToBd09[1]);
    }
}

自己 build 用的 dockerfile

# 这里填写中间件版本，不填版本号默认最新版
FROM tomcat:9.0.21-jdk8

# 使用root用户
USER root

# 进入目录
WORKDIR /usr/local/

# 创建项目文件夹，并将外部文件夹内容添加进去
RUN mkdir project
ADD ./project ./project
RUN cd project

# 配置环境变量 
ENV ARCGISRUNTIMESDKJAVA_100_4_0 /usr/local/project

# 国内镜像
RUN sed -i s@/archive.ubuntu.com/@/mirrors.aliyun.com/@g /etc/apt/sources.list
# 安装环境 arcgis 需要 [libgl1-mesa-glx]
RUN apt-get clean && apt-get update && apt install -y nano vim libgl1-mesa-glx

#开放端口
EXPOSE 8080

#启动命令
CMD ["java","-jar","/usr/local/project/springboot.jar","--spring.profiles.active=docker"]