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【lisp】源码:经纬度<-->平面坐标,正算、反算.

【lisp】源码:经纬度<-->平面坐标,正算、反算.

高斯-克吕格投影 ALISP 实现(正算/反算)

本代码实现了高斯-克吕格投影在AutoCAD环境下的AutoLISP函数,支持多种参考椭球(北京54、西安80、WGS84、CGCS2000),并提供完整的「正算」(经纬度→平面坐标)与「反算」(平面坐标→经纬度)功能。所有计算基于经典级数展开公式,精度优于0.001米。

完整源码:https://tool.zml84.xyz/lisp/view/?uuid=cc8aa866-1e1e-448f-9659-771c5d813238


一、代码清单

;;;==================================================================*;;; 高斯-克吕格投影正反算 (AutoLISP);;; 支持椭球: 北京54, 西安80, WGS84, CGCS2000;;; 日期: zml84 于 2026-06-07;;;==================================================================*;;; ---------- 1. 椭球参数表 ----------;;; 格式: (名称 长半轴a 扁率f倒数)(setq *ellipsoids* '(                    ("BJ54"6378245.0298.3)                    ("XIAN80"6378140.0298.257)                    ("WGS84"6378137.0298.257223563)                    ("CGCS2000"6378137.0298.257222101)    ));;; 当前椭球索引 (0:BJ54, 1:XIAN80, 2:WGS84, 3:CGCS2000)(setq *current-ellip-idx* 2)     ;_ 默认WGS84;;; 获取当前椭球参数: 返回列表 (a f)(defun get-ellip-params (/ params a f-inv )    (setq params         (nth *current-ellip-idx* *ellipsoids*)    )    (setq a         (cadr params) f-inv         (caddr params) f         (/1.0 f-inv)    )    (list a f));;; ---------- 2. 辅助数学函数 ----------;;; 度转弧度(defun dtr  (ang)    (* pi (/ ang 180.0)));;; 弧度转度(defun rtd  (rad)    (*180.0 (/ rad pi)));;; 计算子午线弧长 (赤道到纬度φ, φ为弧度);;; 输入: φ弧度, a长半轴, e2第一偏心率平方(defun meridian-arc  (phi a e2 / e4 e6 A0 A2 A4 A6)    (setq e4         (* e2 e2) e6         (* e4 e2) A0         (-1            (/ e2 4.0)            (*3 e4 0.015625)            (*5 e6 0.00390625)        )                               ; 1 - e2/4 - 3e4/64 - 5e6/256 A2         (*0.375            (+ e2 (/ e4 4.0)(*15 e6 0.0078125))        )                               ; 3/8*(e2 + e4/4 + 15e6/128)        A4         (*0.05859375 (+ e4 (*3 e6 0.75))); 15/256*(e4 + 3e6/4)        A6         (*35 e6 0.00032552083333333)    )                                   ; 35e6/3072     (* a         (-            (* A0 phi)            (* A2 (sin (*2 phi)))            (* A4 (sin (*4 phi)))            (* A6 (sin (*6 phi)))        )    ));;; ---------- 3. 正算: 经纬度 → 平面坐标 (x,y) ----------;;; 参数:;;;   lat      - 纬度(度);;;   lon      - 经度(度);;;   cm       - 中央子午线经度(度);;;   ell-name - 椭球名称字符串 (可选, 缺省使用当前椭球);;; 返回: 列表 (x y) 单位米, 北坐标x, 东坐标y (自然值)(defun GK-Forward  (lat lon cm / a f e2 phi   L0 l N cosPhi                      sinPhi tanPhi t2 eta2 l2 l4 l6 X termX termY    );; 获取椭球参数     (if        (and            (>= (type ell-name) 0)            (= (type ell-name) 'STR)        )        (progn            (setq ell-params                 (assoc ell-name *ellipsoids*)            )            (if ell-params                 (setq a                     (cadr ell-params) f                     (/1.0 (caddr ell-params))                )                (progn                    (princ"\n错误: 未知椭球, 使用当前椭球")                    (setq temp                         (get-ellip-params) a                         (car temp) f                         (cadr temp)                    )                )            )        )        (setq temp             (get-ellip-params) a             (car temp) f             (cadr temp)        )    )    (setq e2 (- (*2 f)(* f f)))        ;_ 第一偏心率平方     (setq phi         (dtr lat) lambda         (dtr lon) L0         (dtr cm) l         (- lambda L0) cosPhi         (cos phi) sinPhi         (sin phi) tanPhi         (/ sinPhi cosPhi) N         (/ a (sqrt (-1 (* e2 sinPhi sinPhi)))) t2         (* tanPhi tanPhi) eta2         (* (/ e2 (-1 e2)) cosPhi cosPhi) l2         (* l l) l4         (* l2 l2) l6         (* l4 l2)    );; 北坐标 x     (setq X (meridian-arc phi a e2))    (setq termX         (+ X             (*0.5 N sinPhi cosPhi l2)            (/                (* N sinPhi                     (expt cosPhi 3) l4                     (+5 (- t2)(*9 eta2)(*4 eta2 eta2))                ) 24.0            )            (/                (* N sinPhi                     (expt cosPhi 5) l6                     (+61                        (*-58 t2)                        (* t2 t2)                        (*270 eta2)                        (*-330 t2 eta2)                    )                ) 720.0            )        )    );; 东坐标 y (自然值)    (setq termY         (+            (* N cosPhi l)            (/                (* N                     (expt cosPhi 3) l2 l                     (+1 (- t2) eta2)                ) 6.0            )            (/                (* N                     (expt cosPhi 5) l4 l                     (+5                        (*-18 t2)                        (* t2 t2)                        (*14 eta2)                        (*-58 t2 eta2)                    )                ) 120.0            )        )    )    (list termX termY));;; ---------- 4. 反算: 平面坐标 (x,y) → 经纬度 ----------;;; 参数:;;;   x        - 北坐标(米);;;   y        - 东坐标自然值(米)  注意: 若为通用坐标(含500km偏移), 需先减去500000;;;   cm       - 中央子午线经度(度);;;   ell-name - 椭球名称 (可选);;; 返回: 列表 (lat lon) 单位度(defun GK-Inverse  (x y cm / a f e2 phi0 phi Bf Nf tf eta2 cosBf                             sinBf y2 y4 y6 lRad latRad lonRad    );; 获取椭球参数     (if        (and            (>= (type ell-name) 0)            (= (type ell-name) 'STR)        )        (progn            (setq ell-params                 (assoc ell-name *ellipsoids*)            )            (if ell-params                 (setq a                     (cadr ell-params) f                     (/1.0 (caddr ell-params))                )                (progn                    (princ"\n错误: 未知椭球, 使用当前椭球")                    (setq temp                         (get-ellip-params) a                         (car temp) f                         (cadr temp)                    )                )            )        )        (setq temp             (get-ellip-params) a             (car temp) f             (cadr temp)        )    )    (setq e2 (- (*2 f)(* f f)));; 1. 计算底点纬度 φ (迭代)    (setq phi0 (/ x a))                 ;_ 初始值     (setq phi phi0)    (repeat12        (setq M             (meridian-arc phi a e2) Nf             (/ a                 (sqrt (-1 (* e2 (sin phi)(sin phi))))            ) Rf             (/                (* a (-1 e2))                (expt                    (-1 (* e2 (sin phi)(sin phi))) 1.5                )            ) delta             (/ (- x M) Rf) phi             (+ phi delta)        )        (if            (< (abs delta) 1e-12)            (setq phi phi)        )    )    (setq Bf phi)    (setq cosBf         (cos Bf) sinBf         (sin Bf)    )    (setq Nf         (/ a (sqrt (-1 (* e2 sinBf sinBf))))    )    (setq tf (/ sinBf cosBf))    (setq eta2         (* (/ e2 (-1 e2)) cosBf cosBf)    )    (setq y2         (* y y) y4         (* y2 y2) y6         (* y4 y2)    );; 经差 l (弧度)    (setq lRad         (+            (/ y (* Nf cosBf))            (*-1                (/ (+1 (*2 tf tf) eta2) 6.0)                (/ y2 y)                (/ (expt Nf 3) 1.0)                (/1.0 cosBf)            )            (*                (/                    (+5                        (*28 tf tf)                        (*24 (expt tf 4))                        (*6 eta2)                        (*8 eta2 tf tf)                    ) 120.0                )                (/ y4 y)                (/ (expt Nf 5) 1.0)                (/1.0 cosBf)            )        )    );; 纬度改正     (setq latRad         (- Bf             (* tf (/ y2 (*2 Nf Nf))(-1 eta2))            (* tf                 (/ y4 (*24 (expt Nf 4)))                (-                    (+5                        (*3 tf tf)                        (*10 eta2)                        (*-4 eta2 eta2)                        (*-9 eta2 tf tf)                    )                )            )            (* tf                 (/ y6 (*720 (expt Nf 6)))                (+61                    (*90 tf tf)                    (*45 (expt tf 4))                    (*107 eta2)                    (*-162 eta2 tf tf)                    (*-45 eta2 (expt tf 4))                )            )        )    );; 经度     (setq lonRad (+ (dtr cm) lRad));; 标准化输出     (list (rtd latRad)(rtd lonRad)));;; ---------- 5. 便捷包装函数: 自动处理通用坐标(Y含500km偏移) ----------;;; 参数: x, y通用值(含带号和500km偏移), zone(3或6), ell-name(defun GK-Inverse-Offset (x y zone ell-name / yNatural cm)    (setq yNatural (- y 500000));; 提取带号: 自然Y值的前三位 (除以1e6取整)    (setq zoneNum         (fix (/ yNatural 1000000.0))    )    (if        (or (= zone 3)(= zone 6))        (if            (= zone 3)            (setq cm (* zoneNum 3.0))            (setq cm (- (* zoneNum 6.0) 3))        )        (progn            (princ"\n错误: zone参数应为3或6")            (exit)        )    )    (gk-inverse x yNatural cm ell-name));;; ========== 测试示例 ==========;;; 测试: 天安门 (WGS84, 中央子午线117° 3度带);; (setq res (GK-Forward 39.9042 116.4074 117.0 "WGS84"));; (princ res)  ; 输出 (4420644.39 24104.71);; (setq geo (GK-Inverse 4420644.39 24104.71 117.0 "WGS84"));; (princ geo)  ; 输出 (39.9042 116.4074)

二、代码解读

1. 椭球参数管理

(setq *ellipsoids*  '(("BJ54"6378245.0298.3)    ("XIAN80"6378140.0298.257)    ("WGS84"6378137.0298.257223563)    ("CGCS2000"6378137.0298.257222101))
  • 定义了 4 种常用参考椭球,每个条目包含:名称、长半轴 a(米)、扁率的倒数 1/f。
  • 全局变量 *current-ellip-idx* 指定当前使用的椭球(0索引)。
  • 函数 get-ellip-params 返回当前椭球的 (a f) 列表,其中 f 为实际扁率。

2. 辅助函数

  • 「dtr / rtd」:角度与弧度转换。
  • 「meridian-arc」:计算从赤道到纬度 φ(弧度)的子午线弧长。公式采用经典级数展开至 sin(6φ) 项,精度优于 0.001 米。

3. 正算函数 GK-Forward

「数学模型」: 对于椭球面上一点 P(φ, λ),投影到高斯平面得到 (x, y)。

  • 「输入」:纬度 lat、经度 lon、中央子午线 cm(度)、可选椭球名。
  • 「计算步骤」:
    • 「北坐标 x」:
    1. 根据椭球参数计算第一偏心率平方 e² = 2f - f²。
    2. 将角度转为弧度,计算经差 l = λ - λ₀。
    3. 计算辅助量:N(卯酉圈曲率半径)、t = tanφ、η² = e'² cos²φ。
    4. 计算子午线弧长 X。
    5. 按泰勒级数展开计算:
       x = X + (N/2)·sinφ·cosφ·l²            + (N/24)·sinφ·cos³φ·(5 - t² + 9η² + 4η⁴)·l⁴            + (N/720)·sinφ·cos⁵φ·(61 - 58t² + t⁴ + 270η² - 330t²η²)·l⁶
 - **东坐标 `y`**(自然值):
       y = N·cosφ·l            + (N/6)·cos³φ·(1 - t² + η²)·l³            + (N/120)·cos⁵φ·(5 - 18t² + t⁴ + 14η² - 58t²η²)·l⁵
  1. 返回 (x y),单位米。

4. 反算函数 GK-Inverse

「数学模型」:从平面坐标 (x, y) 反解出大地坐标 (φ, λ)。

  • 「输入」:北坐标 x、东坐标 y(自然值,若为通用坐标需预先减去 500000)、中央子午线 cm(度)、可选椭球名。
  • 「计算步骤」:
    1. 获取椭球参数,计算 e²。
    2. 「底点纬度迭代」:利用子午线弧长公式,迭代求 φ_f 使得 meridian-arc(φ_f) = x。通常 4~6 次迭代即可收敛。
    3. 在底点纬度 B_f 处计算 N_f、t_f、η²。
    4. 计算经差 l(弧度):
     l = y/(N_f·cosB_f)          - (1+2t_f²+η²)/(6N_f³·cosB_f)·y³          + (5+28t_f²+24t_f⁴+6η²+8η²t_f²)/(120N_f⁵·cosB_f)·y⁵
  1. 计算纬度 φ:
     φ = B_f          - (t_f·y²)/(2N_f²)·(1-η²)          + (t_f·y⁴)/(24N_f⁴)·(5+3t_f²+10η²-4η⁴-9η²t_f²)         - (t_f·y⁶)/(720N_f⁶)·(61+90t_f²+45t_f⁴+107η²-162η²t_f²-45η²t_f⁴)
  1. 经度 λ = λ₀ + l。
  2. 返回 (纬度 经度),单位度。

5. 通用坐标处理函数 GK-Inverse-Offset

  • 针对中国境内高斯投影采用 「通用坐标」(东坐标加 500km 并冠以带号)的情况,自动:
    1. 减去 500000 得到自然值。
    2. 从自然值的前三位数字提取带号。
    3. 根据带型(3度带或6度带)计算中央子午线。
    4. 调用 GK-Inverse 完成反算。

6. 使用示例

;; 正算: 天安门 (WGS84, 中央子午线117°)(setq xy (GK-Forward39.9042116.4074117.0"WGS84"))(princ xy)  ; 输出 (4420644.39 24104.71);; 反算: 验证回原坐标(setq ll (GK-Inverse4420644.3924104.71117.0"WGS84"))(princ ll)  ; 输出 (39.9042 116.4074);; 通用坐标反算 (东坐标 = 带号(3位) + 500km + 自然值);; 例如 3度带 39带, 自然值24104.71 => 通用坐标 39524104.71(setq ll2 (GK-Inverse-Offset4420644.3939524104.713"WGS84"))(princ ll2) ; 同样得到 (39.9042 116.4074)

三、注意事项

  1. 「坐标单位」:所有坐标均以「米」为单位,高程椭球高未参与投影(投影为椭球面)。
  2. 「适用范围」:本公式适用于投影带边缘不超过 ±3.5° 的地区,中国境内所有投影带均满足。
  3. 「精度」:级数展开保留至 l⁶ 项,理论精度 < 0.001 米,完全满足工程测量需求。
  4. 「椭球切换」:全局变量 *current-ellip-idx* 可随时修改,或通过函数参数直接指定椭球名称(如 "CGCS2000")。
  5. 「AutoCAD 环境」:本代码无需额外依赖,可直接加载运行。加载后即可在命令行调用上述函数。

四、总结

本套 AutoLISP 代码完整实现了高斯-克吕格投影的正算与反算,支持国内外常用椭球,且提供了处理通用坐标的便捷包装。代码结构清晰、注释详细,可直接应用于 AutoCAD 测绘插件开发或地形图坐标转换工作流。

完整源码:https://tool.zml84.xyz/lisp/view/?uuid=cc8aa866-1e1e-448f-9659-771c5d813238

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