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前言
WGS-84坐标系作为全球地理空间技术的核心基准,定义了地球质心为原点的三维定位标准,通过经度、纬度和高程实现米级至厘米级精度。
其技术优势在于全球统一性和动态更新机制,消除地域偏差,适应地球物理变化,支持GPS、北斗等多系统兼容。该坐标系广泛应用于导航、测绘、遥感和GIS领域,是数字地图、车辆定位、航空航天的基础框架。
日常生活中,手机导航、无人机飞行均依赖其基准,推动现代空间技术发展。其不可替代性在于整合全球数据,促进跨国合作,成为人类探索地球的关键工具。
铺垫知识
地球的外观类似椭球,故很多方法通过选取参考椭球面对地球进行拟合以方便数学计算,如克拉索夫斯基椭球。因此会涉及到对椭球的描述,因此在此简单对部分椭球参数进行说明。
抛个简单问题: 随便给个椭球,你知道它有多椭吗?
简单点说(椭圆类比椭球),给个球头如何判断椭圆有多扁呢?

换做是我,我也不猜,有点扁、相当扁、非常扁、很扁都很难去进行描述,因此引入了个扁率、偏心率的概念。
随便给定椭圆:$$\frac { x ^ { 2 } } { a ^ { 2 } } + \frac { y ^ { 2 } } { b ^ { 2 } } = 1 \left( a \gt b \gt 0 \right)$$, 如下图,可理解为椭球的截面(子午椭圆)

其实长短轴的比值就可以描述椭球的扁度,其实扁率也差不多。
扁率: $$\alpha = \frac { a – b } { a } =1-\frac {b } { a }$$
本质上还是使用长短轴的比值进行描述,可以发现 \(a=b\) 时,扁率为0,此时该椭圆或椭球是圆或圆球。
此外还有偏心率的相关参数。如第一偏心率,第二偏心率,本质上是焦距和长短轴的比值。至于焦距怎么算,上图:
椭圆上一点到两焦点的距离之和(\(PF_1+PF_2\))是个常数(\(2a\)),可得 \(PF_1=a\)。进一步由勾股定理可得焦距 (\(OF_1\)) 为 \(\sqrt { a ^ { 2 } – b ^ { 2 } }\)。
第一偏心率:$$e = \frac { \sqrt { a ^ { 2 } – b ^ { 2 } } } { a }$$
第二偏心率:$$e ^ { \prime } = \frac { \sqrt { a ^ { 2 } – b ^ { 2 } } } { b }$$
扁率 \(α\) 反映了椭球体的扁平程度,介于1和0之间。偏心率越大,椭球越扁,其数值恒小于1。
WGS-84坐标系

WGS-84坐标系(World Geodetic System一1984 Coordinate System)是一种国际上采用的地心坐标系,与之相对应的是参心坐标系。参心坐标系是以参考椭球的几何中心为基准的大地坐标系。
WGS-84坐标系:
- 坐标原点为地球质心
- 地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH (国际时间服务机构)1984.0定义的协议地球极(CTP)方向
- X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点
- Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 长半径(m) | $$6378137$$ |
| 短半径(m) | $$6356752.31$$ |
| 扁率 | $$1/ 298. 257223563$$ |
熟知的GPS就是采取该坐标系进行定位的,其定位的坐标格式为(纬度,纬度,高程),简写(B,L,H)。
那你知道赤道是经线还是纬线吗?
毫无疑问,是纬线,即横纬竖经,记住了横着的是纬线,竖着的是经线(树精)。
那高程又是个啥?和海拔又是什么关系呢?
引用个高程百科:高程,指的是某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离,称绝对高程,简称高程。某点沿铅垂线方向到某假定水准基面的距离,称假定高程。
引用个海拔百科:海拔是指地面某个地点或者地理事物高出或者低于海平面的垂直距离。
那基面又是个啥?基面和海平面一样吗?

图引用自哔哩哔哩 唐伯虎Annie戏腔《落》
正如歌词所述,潮起潮落,海平面何处寻?
因此人们就想到只能用一个确定的平均海水面来作为海拔的起算面。海拔也就定义为高出或者低于平均海水面的高度,即高程或绝对高程。
由于地球内部质量的不均一,地球表面各点的重力线方向并非都指向球心一点,进而处处和重力线方向相垂直的大地水准面,形成一个不规则的曲面,因而世界各国有各自确立的平均海平面,即大地水准面。

由于使用经纬度进行定位,对于后续应用如智能网联汽车等使用不太方便,后续还需要进行坐标系的转换,如使用UTM坐标系(通用横轴墨卡托)、高斯-克吕格投影等方法,将按照经线划分(3或6 度)的楔形的地图投影到圆柱或椭圆柱面上,进而展开为平面以方便后续应用。
总结
总结: WGS-84坐标系以地球质心为原点,通过经度、纬度和高程实现米级至厘米级精确定位,是全球地理空间技术的核心基准。本文简单介绍了椭球的扁率、偏心率等,进一步介绍了WGS-84坐标系组成、坐标元素,并区分了部分概念的含义。
致谢
欲尽善本文,因所视短浅,怎奈所书皆是瞽言蒭议。行文至此,诚向予助与余者致以谢意。