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Cesium中笛卡尔坐标系详解

使用Cesium开发三维GIS应用离不开笛卡尔坐标系，在CesiumJS中定义类型是Cartesian3，这是Cesium的基础数据类型，所有坐标最后均转换成这个类型参与三维渲染，包括屏幕坐标，地理坐标系坐标。那么问题来了，这个笛卡尔坐标系到底是什么？常用的WGS84怎么转换成这个坐标系的？让我们来看看cesium源码一探究竟。

Cartesian3.js里面有个函数fromRadians ，将经纬度转换成Cartesian3，其中经纬度是wgs84转换成弧度的经纬度。 
Cartesian3.fromRadians = function(longitude, latitude, height, ellipsoid, result) {
    //>>includeStart('debug', pragmas.debug);
    Check.typeOf.number('longitude', longitude);
    Check.typeOf.number('latitude', latitude);
    //>>includeEnd('debug');

    height = defaultValue(height, 0.0);
    var radiiSquared = defined(ellipsoid) ? ellipsoid.radiiSquared : wgs84RadiiSquared;

    var cosLatitude = Math.cos(latitude);
    scratchN.x = cosLatitude * Math.cos(longitude);
    scratchN.y = cosLatitude * Math.sin(longitude);
    scratchN.z = Math.sin(latitude);
    scratchN = Cartesian3.normalize(scratchN, scratchN);

    Cartesian3.multiplyComponents(radiiSquared, scratchN, scratchK);
    var gamma = Math.sqrt(Cartesian3.dot(scratchN, scratchK));
    scratchK = Cartesian3.divideByScalar(scratchK, gamma, scratchK);
    scratchN = Cartesian3.multiplyByScalar(scratchN, height, scratchN);

    if (!defined(result)) {
        result = new Cartesian3();
    }
    return Cartesian3.add(scratchK, scratchN, result);
};
1、检验经纬度是否符合标准； 
Check.typeOf.number('longitude', longitude);
Check.typeOf.number('latitude', latitude);
2、如果高度为空赋值默认为0； 
height = defaultValue(height, 0.0);
3、如果坐标系为空默认赋值WGS84坐标系； 
var radiiSquared = defined(ellipsoid) ? ellipsoid.radiiSquared : wgs84RadiiSquared;
4、赋值地球球体半径（假设为1）在xy平面上的投影长度；
cesium假设wgs84坐标系构成地球球体是xy平面的正圆，z轴稍微小一点扁椭球：



如上图所示：x轴垂直纸面向上，wgs84坐标系定义的x，y平面圆是正圆，半径是6378137，xz或者yz的圆是椭圆，z轴的半径是：6356752.3142451793，定义如下： 
var wgs84RadiiSquared = new Cartesian3(6378137.0 * 6378137.0, 6378137.0 * 6378137.0, 6356752.3142451793 * 6356752.3142451793);

var cosLatitude = Math.cos(latitude);
所以这句话的意思是假设球半径为1，这个半径投影到xy平面上的长度（当然由于这不是标准球，所以球半径不是固定的，但是在这里假设是一个标准球，直到下面第9步骤）。

5、求出对应x轴坐标（假设球半径为1），用上一步求得的投影长度乘以经度的余弦，直接求得对应x轴坐标；



scratchN.x = cosLatitude * Math.cos(longitude);
6、求出对应y轴坐标（假设球半径为1）； 
scratchN.y = cosLatitude * Math.sin(longitude);
7、求出对应z轴坐标（假设球半径为1），以上三步骤构成scratchN向量； 
scratchN.z = Math.sin(latitude);
8、求出scratchN的单位模向量赋值给scratchN本身，这样做的目的是把这个xyz轴数值同比例缩小到一个单位球，便于后面等比例变化；
单位模的含义：
对向量A=[X,Y,Z]求模：


scratchN = Cartesian3.normalize(scratchN, scratchN);
9、ScratchN同比例放大一定倍数；
x轴放大6378137.0 * 6378137.0倍数, Y轴放大6378137.0 * 6378137.0倍数, Z轴放大6356752.3142451793 * 6356752.3142451793倍数，结果放到scratchK中，scratchN保持不变 
Cartesian3.multiplyComponents(radiiSquared, scratchN, scratchK)
10、求经纬度坐标对应的xyz坐标；


var gamma = Math.sqrt(Cartesian3.dot(scratchN, scratchK))
该语句执行结果：

scratchK = Cartesian3.divideByScalar(scratchK, gamma, scratchK);
该语句执行结果:

var gamma = Math.sqrt(Cartesian3.dot(scratchN, scratchK));
scratchK = Cartesian3.divideByScalar(scratchK, gamma, scratchK);
回头看到这里的步骤，其实cesium做了两次取模运算，第一次目的是算出经纬度对应的标准球体上面xyz比例，第二次是算出在wgs84坐标系下面进行椭球体拉伸后的xyz比例，最后再用这个拉伸后的比例乘以实际值（以米为单位）算出实际xyz坐标。

11、求高程对应的xyz坐标增量写入scratchN； 
scratchN = Cartesian3.multiplyByScalar(scratchN, height, scratchN)


12、将第十步骤和第十一步骤对应的坐标相加得到最终xyz值。 
return Cartesian3.add(scratchK, scratchN, result)
总结推论：
1）笛卡尔坐标系是米单位;
2）笛卡尔坐标系原点是地球几何中心；
3）xz平面是中央经线和180度经线组成的平面，其中x轴正方向指向的是中央经线，x轴负方向指向180度经线;
4）y轴正方向指向东经90度经线，负方向指向西经90度经线。
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