你打开手机地图，看到代表自己位置的小蓝点精准地停留在道路上，公园中或者其他地方时候，我猜测你可能会跟我一样去想：既然地图能显示每一栋楼、每一条路，那能不能直接从地图上获取到任何一个点的真实经纬度呢？

比如，我在谷歌地图上找到任意两个点，白宫、天安门，那它们显示的是真实的经纬度吗？

答案是：不一定。

究其原因就是，你在地图上看到的“地球上的各种元素“，其实是真实世界经过多层映射才到到虚拟世界中的，在每一层的映射都有一些失真或者故意加入的扭曲，接下来我们具体展开讲讲——

一、地图世界的三层坐标体系

真实的地球坐标并不能直接显示在你手机屏幕上的，它经历了两到三次“转换”，每一次都让我们离真实地球远了一点。

🌍 第一层：基于地球坐标系的真实坐标 —— WGS 84

WGS 84（World Geodetic System 1984） 是全球通用的大地测量系统，GPS、北斗、伽利略、GLONASS 都在使用它。

WGS 84 定义了地球标准模型的形状、大小以及坐标系。

1、坐标系原点（Origin）

WGS 84 坐标系的原点是地球的质心（Center of Mass）。

• 定义：它被定义为地球质量的几何中心，这很重要，因为地球的质量分布并不是完全均匀的，但卫星和物体的轨道是围绕着这个质心运行的。
• 意义：这意味着 WGS 84 是一个地心坐标系（Earth-Centered, Earth-Fixed, ECEF），无论地球如何自转，这个原点都在地球的内部保持不变。

2、地球形状大小的模型（参考椭球体）

WGS 84 用一个数学模型来定义地球的几何形状，这个模型被称为参考椭球体。

为什么用椭球体？

地球不是一个完美的球体，它在赤道附近略微隆起，两极略微扁平，为了进行精确的数学计算，WGS 84 定义了一个最能贴合地球平均形状的旋转椭球体。

WGS 84 定义了参考椭球体的两个关键参数：

• 半长轴（Semi-major Axis, a）：即赤道半径是 6378137.0 米
• 扁率（Flattening, f）：反映了地球两极扁平的程度，它的值是0.0033528106647
  扁率 f 定义如下：
  f =（a−b）/a
  其中：a 是半长轴（赤道半径），单位是米（m），b 是半短轴（极半径-地心到南北极的半径），单位是米（m）

这样定义后所有的高度测量都是以这个理想化的椭球体表面为基准。

3、坐标轴的定义

WGS 84 定义了三个相互垂直的坐标轴，使整个系统固定于地球：

• Z 轴：从坐标原点（质心）指向 国际约定地球极（IERS Reference Pole, IRP），即地球的平均自转轴，指向北方。
• X 轴：位于赤道平面内，从坐标原点（质心）指向 本初子午线（IERS Reference Meridian, IRM） 和赤道的交点（即 0∘ 经线和 0∘ 纬线的交点）。
• Y 轴：位于赤道平面内，垂直于 X 轴和 Z 轴，方向指向东经 90∘。

这三个轴定义了一个固定的、不随地球自转而变化的参考框架，如下图：

wgs84坐标系

4、WGS 84如何定义一个点的三维坐标

WGS 84 采用两种方式来描述地球上一个点的三维位置：

1. 地理坐标（Geodetic Coordinates）-经纬度和海拔高度

这是我们最熟悉的方式，用于地图和导航，下图分别是经纬度示意图，以及单独的经度、纬度示意图：

经纬度定义

经度

纬度

经度（λ）
经度是过地球南北两极的本初子午面（包含本初子午线和地心）与过该点的子午面（包含该点和地心）之间的二面角。
简单来说，就是该点所在的子午面与本初子午面在赤道平面上(x-y平面上)的夹角。
经度的范围（东西方向）

• 范围： -180° 到 +180°
• 如何定义： 经度从本初子午线（0° 经线，穿过英国格林尼治）开始测量。
• 向东测量为正值，从 0° 到 180°（东经，或 E）。
• 向西测量为负值，从 0° 到 −180°（西经，或 W）。
• 关键点： −180° 和 +180° 实际上是同一条线——国际日期变更线附近的那条经线。

纬度（ϕ）
纬度是地球表面任意一点的法线（即垂直于支撑球体表面的直线）与赤道平面之间的夹角

• 范围： -90° 到 +90°
• 如何定义： 纬度从赤道（0° 纬线）开始测量。
• 向北测量为正值，从 0∘ 到 90∘（北纬，或 N）。北极点是 +90∘。
• 向南测量为负值，从 0∘ 到 −90∘（南纬，或 S）。南极点是 −90∘。
• 关键点： 纬度不能超过 90∘，因为 90∘ 已经是地球的极点。

海拔高度（h）
该点到 WGS 84 参考椭球体表面的垂直距离，单位米。

2、 笛卡尔坐标（Cartesian Coordinates）

这是用于卫星轨道计算和数学处理的方式，一个点 (X,Y,Z) 的坐标值，表示的是从原点沿着该坐标轴方向的有向距离。

• X：从原点沿 X 轴方向的距离（有正负）
• Y：从原点沿 Y 轴方向的距离（有正负）
• Z：从原点沿 Z 轴方向的距离（有正负）

总结

WGS 84定义地球的质心作为原点、参考椭球体作为形状、以及三个固定轴作为方向，为全球定位系统提供了一个统一、精确且权威的数学基础。

当你的手机通过卫星定位时，拿到的最原始坐标就是 WGS 84。

这是目前我们所能获得的最接近地球真实形态的坐标。

👉 用途：

• 军用导航、航空制导、测绘精度要求
• RTK高精度定位（误差可小至厘米级）

所以我们可以认为WGS84坐标就是真实世界的坐标。

🗺️ 第二层：平面上的地球 —— 墨卡托投影地图

现实世界是球体，但是计算机等电子设备屏幕是平面，绘制地图的纸张也是平面，为了在一个平面显示地球，就要把它“压平”，这就需要用到地图投影。

最常见的就是 墨卡托投影（Mercator Projection）。

墨卡托地图

它把经纬线拉直成矩形网格，保证局部角度不变，这样导航路线才能不偏。

👉 优点：

• 角度准确，方向一致，非常适合导航
  👉 缺点：
• 面积严重失真。
  纬度越高，越被放大，比如格陵兰岛在地图上比澳大利亚还大；南极洲也超级大

👉 用途：

• Google Maps、高德、百度地图、Apple Maps 等几乎所有在线地图，渲染显示的时候都采用这种投影地图。

所以你手机屏幕上看到的地图，其实是被拉伸过的地球。

总结下：
WGS 84坐标是你的真实位置，用于定位、导航等数学计算；墨卡托坐标则用于在平面上进行视觉渲染，展示定位和导航效果。

🔒 第三层：中国的地理防火墙 — GCJ-02（火星坐标系）

在中国大陆，事情变得更复杂。

中国规定所有公开电子地图必须使用一种经过技术加密的坐标系——GCJ-02（火星坐标系）。

它是在 WGS 84 基础上，通过算法引入平滑、伪随机的偏移，让坐标产生几十到几百米的误差。

这种偏移是连续的，不会让地图“撕裂”，但足以让真实坐标无法还原。

GCJ-02 实现了“有偏差但拓扑结构不变”的坐标变换。

怎么理解呢？想象一个被涂满油墨的气球

1. 原始地图（WGS 84）：你有一个完美、均匀充气的橡胶气球 你在上面用油墨画上了所有的道路、河流和建筑，这就是真实的 WGS 84 地图。
2. 施加力场（GCJ-02 算法）：现在，你对这个气球施加了一个复杂但平滑的力场，这个力场在不同的区域有着不同的拉伸强度和方向：

• 赤道附近：力道小一些，偏移量小。
• 内陆腹地：力道大一些，偏移量大，方向复杂。

3. 最终状态（GCJ-02 地图）：气球被拉伸和扭曲，所有的油墨图案都被非均匀地拉伸了。

• 有偏差：每个点都偏离了它原来的绝对位置。
• 拓扑不变：但由于力场是光滑连续的，气球并没有被撕裂，原本连接的路口依然连接着；原本相邻的两栋楼依然相邻。

👉 目的：

• 保障国家地理信息安全
• 防止民用地图被用于军事、测绘等敏感用途

👉 效果：

• 使用中国境内坐标必须和具备国家测绘资质的本土公司合作，合作过程中测绘公司提供1）采用gcj-02坐标系的地图信息元素，包括道路网和大部分兴趣点（POI）的坐标和几何信息 2）WGS84转换为GCJ-02的API；
• 从高德、百度、谷歌地图上获取的中国境内坐标，在军事或精密应用中都是“废码”；

GCJ-02就像给地球在中国境内加了一层“地理雾”，你看到的仍是中国境内的模样，但已经被轻微扭曲。

GCJ-02的厉害之处在于，它通过一个确定性且光滑的数学函数，成功地在整个中国大陆制造了一个“数据结界”，实现了国家安全目标，同时没有破坏地理信息的相对关系，从而保证了导航和地图服务的可用性。

在使用GCJ-02后， 在定位导航渲染时候WGS 84 → 墨卡托 的正常流程，改变成了 WGS 84 → GCJ-02 → GCJ-02 墨卡托 这一合规流程。

二、不同系统的坐标精度对比

所以，当你在北京天安门取一个GCJ-02坐标，再把它用WGS84在定位设备上标出来——位置可能跑到了马路对面。
这不是GPS坏了，而是地图本身就是有迷雾。

三、关于坐标系的问题

1、Google地图的坐标准确吗？

这取决于你身处哪里：

• 在美国或其他国家：Google Maps 使用 WGS 84 → 基本真实，误差来源于定位技术。
• 在中国大陆：Google Maps 也必须遵循 GCJ-02 → 依然存在偏移。

所以你在白宫点下的坐标基本就是实坐标，
但你在北京点的坐标——只是一个经过“火星偏移”的版本。

2、百度、高德、腾讯地图中获取的坐标准确么？

同上

3、那无人机或导弹能用地图坐标吗？

不能，至少不能直接用。

高精度制导或无人机降落需要使用厘米级的WGS 84坐标，
这通常依赖以下技术：

• RTK（实时动态差分定位）
• PPK（事后差分）
• IMU+GNSS 融合导航
• 视觉SLAM辅助校准

而普通地图的坐标，即使在Google Maps上，也仅能做到10米精度，对无人机来说，这足够找“哪个小区”，但远远不够“哪个阳台”。

小结

当你打开地图、看到那个精确到几米的小蓝点时，实际上你并没有“看到真实的地球”，而是看到了一个经过层层数学处理后的“投影世界”。

从 WGS 84 的地心几何模型，到墨卡托投影的平面世界，再到 GCJ-02 的加密偏移，我们看到的每一层“地图”，其实都是人类在真实地球上的一种 抽象和管理。

这种抽象有技术的动机，也有政治的边界。
它让我们能够在手机上轻松导航，却又确保任何人不能轻易越过国家的地理信息防线。
在科技与安全之间，这种“扭曲的真实”是一个刻意设计的平衡。

这种地理坐标的“扭曲”，正好也像我们理解世界的方式：
我们每个人都以自己的坐标系在观察世界。
我们以为看到的“真相”，往往也只是经过投影、折射、偏移后的“表象”，唯有通过我们的严密的逻辑思考才能一点点接近背后的事实。