墨卡托投影


轉自原文 墨卡托投影

一、墨卡托投影

墨卡托投影,又稱正軸等角圓柱投影,由荷蘭地圖學家墨卡托(G.Mercator)於1569年創擬。假設地球被套在一個圓柱中,赤道與圓柱相切,然后在地球中心放一盞燈,把球面上的圖形投影到圓柱體上,再把圓柱體展開,就形成以一幅墨卡托投影的世界地圖(如下圖)。因其等角特性,廣泛應用與航空、航海中。

墨卡托投影,是正軸等角圓柱投影,圓柱投影的一種,為地圖投影方法中影響最大的投影。假設地球被圍在一中空的圓柱里,其基准緯線(赤道)與圓柱相切,然后再假想地球中心有一盞燈,把球面上的圖形投影到圓柱面上,再把圓柱面展開,這就是一幅選定基准緯線上的“墨卡托投影”繪制出的地圖。其中,按等角條件將經緯網投影到圓柱面上,將圓柱面展為平面后,得平面經緯線網。

從墨卡托投影圖上可以看出,經線間隔的經度如果相等,則經線是等距平行的直線,緯線也是平行的直線,而且經緯線是相互垂直的。

墨卡托投影有一個特別的特性:所有羅盤等角線,或稱斜航線(就是與所經過的所有經線形成相同角度的航線,也稱恆向航線)在墨卡托投影下都是直線。這使得在航海領域這個投影非常重要。

墨卡托投影對透視圓筒投影改造點:要使圓筒投影稱為等角的性質,必須使由赤道向兩極經線逐漸伸長的倍數與經線上各點相應的緯度擴大的倍數相同。

 

從上圖中可以看出,X軸的刻度是等距的,Y軸方向越靠近兩極變形越大。假設墨卡托投影的坐標系原點為(0,lambda_0) ,表示X軸為赤道,Y軸則在經度為lambda_0處垂直於赤道。 墨卡托投影公式即為:

其中,lambda 為經度, phi 為緯度。左側為正算,右側為逆運算。

即有經緯度( philambda)對應的墨卡托平面坐標即為(x*R,y*R)。很明顯,y方向的距離只有在赤道附近才是接近實際距離的。

 

地球赤道的圓周長為2ΠR(R為赤道半徑),而各緯線圈周長為2ΠRcos Φ (Φ 表示對應的緯度),因此,墨卡托投影地圖上緯線長與地球上實際緯線長的比值為:

既然各緯度的緯線擴大sec Φ (正割)倍,為了保持等角,各緯線通過處的經線也要相應的擴大sec Φ 倍。

這時,經線方向上的長度比才能與緯線方向上的長度比相等。

 注意:投影地圖上經緯線的伸長與緯度的正割成比例變化,隨緯度增高極具拉伸,到極點成為無窮大;面積的擴大更為明顯,在60^{\circ}的地方面積要擴大四倍(因為\sec 60^{\circ} = 2,面積比是長度比的兩倍,所以是四倍)。如下圖所示,地理上等半徑圓在高緯度面積明顯擴大。

 

 

二、Web墨卡托投影

Web墨卡托投影坐標系,廣泛應用與Google Map、Bing Map等地圖投影中。它以整個世界范圍,赤道作為標准緯線,本初子午線作為中央經線,兩者交點為坐標原點,向東向北為正,向西向南為負。

X軸:赤道半徑取值為6378137米,則赤道周長為2*PI*r ,以坐標原點為中心,東西南北各方向為其值一半,即 PI*r= 20037508.3427892,因此X軸的取值范圍:[-20037508.3427892,20037508.3427892]。

Y軸:由墨卡托投影的公式可知,當緯度φ接近兩極,即90°時,y值趨向於無窮。為了使用方便,就把Y軸的取值范圍也限定在[-20037508.3427892,20037508.3427892]之間,形成一個正方形。

因此在投影坐標系(米)下的范圍是:最小(-20037508.3427892, -20037508.3427892 )到最大 (20037508.3427892, 20037508.3427892)。經過反算,可得到緯度85.05112877980659。因此緯度取值范圍是[-85.05112877980659,85.05112877980659]。

三、網絡地圖投影參數

Global Spherical Mercator —— Main parameters:

 

  Datum: WGS84
  Map projection: Spherical Mercator
  Ellipsoid: WGS84
  EPSG Code: EPSG: 4326 (for coordinates in latitude/longitude)
  EPSG Code: EPSG: 900913 (for coordinates in metres)

正因為采用了相同的地圖投影才使得不同地圖服務商的瓦片地圖能夠很好的疊加,盡管切片規則和算法不盡相同,但最終拼接的結果始終是一致的。

 

 

參考:

Mercator Projection

在ArcGIS中設置Web墨卡托投影的方法

墨卡托投影, 18.11

 


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