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“ 本文介紹地理空間參考系，這是地圖學的基本內容，需要小夥伴們瞭解一下。因為向量資料、遙感柵格資料儲存的時候均要考慮資料投影與座標系，如果你對這部分知識一點都不瞭解，在逐行理解程式碼時，會感到頭疼，因此有必要認識一下什麼是空間參考系。”

空間參考系由三個部分組成：座標系，基準面和投影，所有這些都影響地球上任意一組座標所指的位置。簡單來說，就是基準用於表示地球的曲率，並且投影是將座標從三維地球變換為二維地圖。不同的投影適用於不同研究目的，例如網路對映，精確測量距離或計算面積。地球上任一點的緯度和經度分別是距離赤道和本初子午線的空間距離（以度為單位）。緯度取值範圍從-90到90，赤道以北為正值。經度範圍從-180到180，格林威治本初子午線以東為正值（如下圖所示）。使用度數在球面上非常有意義，雖然地球不是一個完美的球體，但它足夠很好地接近這一點，可以方便指定地球上的精確位置。

間隔為30°的緯度和經度線。緯度正值位於赤道以北，經度正值位於本初子午線以東。

知識點：本初子午線是穿過倫敦格林威治皇家天文臺的經度線。自1884年以來，世界上大部分地區都認為它是參考子午線。赤道是緯度線，到北極和南極的距離相等。

由於地球實際表面存在山脈和山谷，並不是理想的球形，而是橢球。同時，由於測量精度不同，地球橢球也有多種模型。這些模型稱為基準，每個空間參考系統都基於其中一個模型。其中應用最廣泛的全球資料，即世界大地測量系統，於1984年修訂。該資料簡稱為WGS84，用於全球覆蓋的資料，包括全球定位系統（GPS）。

地圖製作者如何從將三維球面轉換到二維地圖？解決該問題的一種方法是使用所謂的中斷地圖，如下圖所示。但是在它的二維形式中，如果地表沒有被分成塊並未被多餘的空間隔開，那麼地圖將更容易使用，這就是投影的來源。顧名思義，它們用於將位置資料投影或轉換為不同的座標系。這些地圖投影使用笛卡爾座標系，因此位置用x，y座標對指定兩個垂直軸，如散點圖或線圖。

事實上，存在許多實現這一目標的方法，它們都有各自的優、缺點。考慮拉伸上圖中所示的中斷地圖的不同部分，以便地圖是一個沒有切口的矩形。地理特徵顯然會扭曲，特別是在不得不伸展更遠的兩極附近。無論你如何將地理資料投影到兩個維度，都會出現失真，但失真的型別取決於你如何進行轉換。根據你計劃使用的資料，某些型別的失真可能是可以接受的，而其他型別則不能接受。下圖顯示了一種紙可以纏繞在地球上並用於將地理資料轉換為2D的幾種方式。即使運用此處顯示的那些方法，也可以更改紙張的角度以獲得不同的效果。

一種紙可以纏繞在地球上並用於將地理資料投影到二維表面上的兩種不同方式。左邊的例子是圓柱形的，右邊的例子是圓錐形的。

某些稱為保形的投影保留了區域性形狀。例如，玻利維亞和祕魯邊境的喀喀湖形狀在地球和2D地圖之間不會發生變化。然而，沒有數學技巧可以保留大面積的形狀，例如整個歐亞大陸。墨卡託投影，包括通用橫軸墨卡託（UTM），是共形投影的例子。其他投影稱為等面積投影，即保持面積相同，因此格陵蘭的測量面積不會改變，儘管形狀可能會變。Lambert等面積和Gall-Peters投影就是兩個例子。等距離投影，例如Azimuthal等距，保持距離和比例相同，但僅限於地圖的某個部分，例如赤道。離這條真實的線路越遠，失真則越大。下圖顯示了不同投影的示例。

我們為什麼要關心所有這些差異？如果我想製作我所在區域的地圖，我會考慮這些差異。但如果我正在製作我居住的省級地圖，我可能會關心它看起來短而胖還是瘦而長，如下圖所示，如果你更關心測量而不是外表，怎麼辦呢？讓我們考慮一個好玩的例子，想想如果你需要比較北京和新加坡市的城市面積，會發生什麼？運用緯度和經度是行不通的，因為經度線會聚在極點，因此一度經度並不代表恆定的距離。實際上，赤道處一度經度約等於111公里，但緯度為45度時僅約為79公里。雖然緯度距離可能略有不同，因為地球不是一個完美的球體，但它通常每度大約111公里。因此，在北京，每100公里長的正方形大約0.8平方度，但在新加坡接近0.5平方度。使用緯度和經度來比較兩國城市面積顯然會給出不準確的結果。相反，你需要選擇等面積投影。

左圖為經緯度投影；右圖為UTM投影，均使用NAD83資料

左圖為Alberts投影，有種雄赳赳氣昂昂的趕腳；而右圖為等經緯度投影，神似伸著頭要去吃蟲子？好了，不再意淫了。這隻巨蟲從未衰敗過，中華民族的小雞仔們，時刻警醒著！！！