【经度和纬度】定位、测量与应用详解
地球是一个近似的球体，要在如此巨大的表面上精确地标记出每一个地点的位置，需要一套统一的标准。这套标准的核心就是经度和纬度，它们共同构成了一个覆盖全球的坐标网格，使得地球上的任何一个点都可以被唯一地标识出来。
什么是经度和纬度？
要理解经度和纬度，我们可以想象地球仪上的两条虚拟线：一条是横着的，一条是竖着的。
纬度（Latitude）是什么？
纬度用来表示一个地点相对于赤道南北方向的位置。赤道是地球表面与地轴垂直、且通过地心的一个大圆，它将地球平均分为南北两个半球。赤道被定义为0度纬线。
- 纬度线（也称为纬线或平行线）是一系列与赤道平行的假想圆圈。这些圆圈在靠近两极的地方越来越小。
- 北半球的纬度从0度（赤道）到90度（北极），通常表示为“北纬”或带有字母’N’。
- 南半球的纬度从0度（赤道）到90度（南极），通常表示为“南纬”或带有字母’S’。
- 南极和北极分别对应着南纬90度和北纬90度，它们是两个点，而不是圆。
经度（Longitude）是什么？
经度用来表示一个地点相对于本初子午线东西方向的位置。本初子午线是一条连接北极和南极的假想半圆弧线，通过英国伦敦格林威治天文台旧址。本初子午线被定义为0度经线。
- 经度线（也称为经线或子午线）是一系列连接北极和南极的假想半圆弧线。所有的经线长度都相等。
- 以本初子午线为界，向东到另一条穿过太平洋的180度经线称为东经，通常表示为“东经”或带有字母’E’。东经范围从0度到180度。
- 以本初子午线为界，向西到同一条180度经线称为西经，通常表示为“西经”或带有字母’W’。西经范围从0度到180度。
- 180度经线是本初子午线在地球另一面的对应线，它既不是东经也不是西经，是东西经度的交界线，大体上穿过太平洋，常作为国际日期变更线。
它们的单位是什么？
经度和纬度都使用角度作为测量单位，基本单位是度（°）。为了更精确地表示位置，一度又被细分为分（’）和秒（”）。
- 1度 = 60分
- 1分 = 60秒
因此，一个地点的位置通常可以用“度-分-秒”的形式表示，例如：北纬34度3分12秒 (34° 03′ 12″ N)。
现代应用中，也常用十进制度（Decimal Degrees, DD）来表示，即将分和秒转换为度的十进制小数部分，例如：北纬34.0533° (34° + 3/60 + 12/3600 ≈ 34.0533° N)。
为什么我们需要经度和纬度？
经度和纬度的存在，其根本原因是为了解决一个核心问题：如何在地球表面上唯一且精确地描述任何一个地点的位置。
- 想象一下，如果你想告诉别人你在地球上的确切位置，只说你在某个国家、城市甚至街道可能不够精确。
- 有了经纬度，你可以用一对唯一的数字（纬度和经度值）来指定地球上的任意一个点，就像你在二维平面上使用X、Y坐标一样。
- 这对于导航、地图制作、资源管理、科学研究以及日常的位置服务至关重要。
至于为什么选择赤道作为0度纬线，是因为它是地球自转自然形成的一个对称面。而本初子午线选择通过格林威治，更多是历史发展和国际协议的结果，是人为规定的一条基准线，以便全球统一测量经度。
经度和纬度在哪里？
经度和纬度本身是抽象的测量概念，但它们构建了一个覆盖整个地球表面的无形的坐标网格。
- 在地球仪上，你可以看到这些纬线（平行于赤道的圈）和经线（连接两极的弧）被物理地绘制出来，它们相交形成网格。
- 在地图上，特别是世界地图或区域地图，通常会在边缘或内部绘制经纬度线，或者在地图旁边标注经纬度刻度，帮助使用者确定地点的坐标。
- 地球上的任何一个物理地点，无论是一座山峰、一个城市、一艘海上的船只还是一架空中的飞机，都可以用一对经纬度坐标来描述其确切的空间位置。
- 坐标通常按“纬度，经度”的顺序书写，例如：北京的大致坐标是北纬39.9度，东经116.4度（39.9° N, 116.4° E）。表示时通常会指明南北和东西方向。
经度和纬度“有多少”？
我们已经提到了经度和纬度的范围，现在来看看它们对应的“量”：
- 纬度总量： 从南纬90度到北纬90度，总跨度是180度。
- 经度总量： 从西经180度到东经180度（通过本初子午线绕地球一周），总跨度是360度。
一度、一分、一秒代表多远的距离？
这是一个经常被问到的具体问题，答案是：取决于位置和方向。
对于纬度：
- 由于纬线是平行的，同一经线上相差1度的两个地点的南北距离大致相同。
- 在地球表面，纬度每变化1度，南北方向的距离大约是111千米（或60海里）。这是因为地球周长大约是40000千米，而绕地球一周是360度，所以40000 / 360 ≈ 111 km/度。
- 纬度每变化1分，南北距离大约是111 km / 60 ≈ 1.85千米（或1海里）。
- 纬度每变化1秒，南北距离大约是1.85 km / 60 ≈ 30.8米。
- 这个距离略有变化，因为地球并非完美球体，而是南北极稍扁的椭球体。靠近极点时，1度纬度对应的距离稍大。但111 km/度的值是一个很好的近似。
对于经度：
- 经线在两极相交，在赤道距离最远。这意味着经度1度对应的东西距离随着纬度的升高而显著减小。
- 在赤道附近，经度每变化1度，东西方向的距离大约是111千米，与纬度类似。
- 随着纬度升高，经度线之间的距离按纬度的余弦值递减。公式大致是：1度经度对应的距离 ≈ 111 km * cos(纬度)。
- 例如，在纬度60度的地方（cos(60°) = 0.5），1度经度对应的东西距离就只有约111 km * 0.5 = 55.5千米。
- 在极点（纬度90度，cos(90°) = 0），所有的经线汇聚于一点，经度就没有实际的距离意义了。
因此，虽然经纬度单位固定，但它们对应的地面距离会根据纬度位置而变化，尤其是经度。
如何确定和测量经度和纬度？
确定一个地点的经纬度坐标，是定位的核心技术。
历史上的方法
在现代科技出现之前，水手和探险家们依靠天文观测来确定经纬度。
- 确定纬度： 相对容易。通过测量正午时太阳的高度角，或者测量北极星（在北半球）或南十字星座（在南半球）等特定恒星相对于地平线的高度角，结合观测时的日期和已知的天体位置信息，就可以计算出观测者的纬度。常用的工具是六分仪。
- 确定经度： 在历史上是巨大的挑战。它需要准确地知道当地时间与一个标准地点（如本初子午线）时间的时差。地球每小时自转15度（360度 / 24小时 = 15度/小时），通过比较当地正午时间和标准正午时间（或任何已知时间点），就可以计算出与标准地点相差的经度。关键在于在海上精确测量当地时间，并且需要一个能在海上保持准确的标准时间计时器。直到18世纪，英国钟表匠约翰·哈里森发明了高精度航海天文钟（计时器），才解决了“经度难题”。
现代方法
如今，确定经纬度已经变得非常便捷和精确。
- 全球定位系统 (GPS) / 全球导航卫星系统 (GNSS)： 这是最常用的现代方法。GPS（美国的系统）和GNSS（包括欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯、中国的北斗等）利用围绕地球运行的卫星网络来工作。接收器（如你手机里的GPS芯片）接收来自多颗卫星的信号，测量信号到达的时间延迟，从而计算出接收器到每颗卫星的距离。通过至少四颗卫星的数据，接收器可以解算出其在地球上的三维位置（包括经度、纬度和海拔高度）以及当前时间。这个过程是自动且实时的，精度非常高。
- 测量仪器： 专业测量人员使用全站仪、RTK（实时动态测量）等高精度仪器，结合GNSS数据或地面控制点，可以实现厘米甚至毫米级的经纬度及高程测量。
经度和纬度“怎么”应用？
经度和纬度作为地球表面位置的通用语言，其应用几乎渗透到现代生活的方方面面。
- 导航： 这是最直接也是最重要的应用。无论是船舶在茫茫大海上航行、飞机在空中飞行、汽车在陆地上行驶，还是人们步行使用手机导航，都是依赖于GPS/GNSS提供的实时经纬度信息来确定当前位置、规划路线和引导方向。
- 地图绘制与地理信息系统 (GIS)： 所有的电子地图和纸质地图都是基于经纬度网格来构建的。GIS是一个强大的工具，它使用经纬度坐标来存储、管理、分析和展示地理数据（如人口分布、土地利用、环境特征等），帮助人们理解空间模式和做出决策。
- 测量与测绘： 工程师和测绘师使用高精度测量技术确定地物的精确经纬度，为工程建设、土地管理、边界划定等提供基础数据。
- 应急响应与救援： 在自然灾害发生或需要紧急救援时，通过经纬度可以快速定位遇险人员或受灾区域，提高救援效率。
- 位置服务： 智能手机上的各种应用，如天气预报、社交媒体打卡、共享出行、外卖配送等，都依赖于获取用户的经纬度信息来提供个性化和基于位置的服务。
- 科学研究： 地理学、气象学、海洋学、生态学等众多科学领域都需要使用经纬度来记录和分析观测数据，研究地球上的各种现象及其分布规律。
- 资源管理： 政府和企业使用经纬度来管理自然资源（如森林、矿产、渔业）、基础设施（如管线、电网）等，进行规划和监测。
总而言之，经度和纬度不仅仅是地图上的线条或书本上的概念，它们是现代世界运行不可或缺的基础设施，是连接地理空间与数字信息的关键桥梁。通过这套统一的坐标系统，我们得以在全球范围内进行精确的定位、导航、规划和管理。
