墨卡托投影
墨卡托投影,是正轴等角圆柱投影。由荷兰地图学家墨卡托(G.Mercator)于1569年创立。假想一个与地轴方向一致的圆柱切或割于地球,按等角条件,将经纬网投影到圆柱面上,将圆柱面展为平面后,即得本投影。墨卡托投影在切圆柱投影与割圆柱投影中,最早也是最常用的是切圆柱投影。
中文名:墨卡托投影
外文名:Mercatorprojection
提出者:墨卡托(G.Mercator)
提出时间:1569年
公式:y=ln(tan(45°+Φ/2))
适用领域:编制航海图和航空图等
别称:正轴等角圆柱投影
1、基本介绍
墨卡托投影
墨卡托投影,是正轴等角圆柱投影,又称等角圆柱投影,圆柱投影的一种,由荷兰地图学家墨卡托(G.Mercator)于1569年创拟。为地图投影方法中影响最大的。
设想一个与地轴方向一致的圆柱切于或割于地球,按等角条件将经纬网投影到圆柱面上,将圆柱面展为平面后,得平面经纬线网。投影后经线是一组竖直的等距离平行直线,纬线是垂直于经线的一组平行直线。各相邻纬线间隔由赤道向两极增大。一点上任何方向的长度比均相等,即没有角度变形,而面积变形显著,随远离基准纬线而增大。该投影具有等角航线被表示成直线的特性,故广泛用于编制航海图和航空图等。
墨卡托投影,是一种"等角正切圆柱投影”,由荷兰地图学家墨卡托(GerhardusMercator1512-1594)在1569年拟定。
假设地球被围在一中空的圆柱里,其基准纬线与圆柱相切(赤道)接触,然后再假想地球中心有一盏灯,把球面上的图形投影到圆柱体上,再把圆柱体展开,这就是一幅选定基准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。墨卡托投影没有角度变形,由每一点向各方向的长度比相等,它的经纬线都是平行直线,且相交成直角,经线间隔相等,纬线间隔从基准纬线处向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显,但基准纬线处无变形,从基准纬线处向两极变形逐渐增大,但因为它具有各个方向均等扩大的特性,保持了方向和相互位置关系的正确。在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点,墨卡托投影地图常用作航海图和航空图,如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行,方向不变可以一直到达目的地,因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件,给航海者带来很大方便。*国家标准“海底地形图编绘规范”(GB/T17834-1999)中5.1.3.1款规定1:25万及更小比例尺图采用墨卡托投影,基本比例尺图(即1:5万,1:25万,1:100万)采用统一基准纬线30°,非基本比例尺图以制图区域中纬为基准纬线。基准纬线取至整度或整分。
2、名称由来
基哈德斯·墨卡托于1512年出生在佛兰德。他的著作极大地帮助并影响了后来的深海航海者。墨卡托在卢慰恩大学攻读了哲学、数学以及天文学。他在那里还学会了雕刻和制作仪器。他的第一件重要作品是一幅非常详细的佛兰德地图。他的作品质量精绝,当时的皇帝查理五世大加赞赏,委派他制作地球仪。他于1541年完成了这项工作。
佛兰德后来逐渐变成了一个宗教斗争的中心,墨卡托被怀疑是路德教派的信徒,遭到逮捕。出狱后,他搬到了莱茵河畔的大学城——杜伊斯堡。在那里他成了克利夫斯伯爵的门客,出版了许多地图,并且绘制出第一张现代欧洲大陆和不列颠岛地图。
墨卡托不久便意识到,世界需要的是一张准确清晰的航海图。早期的航海家们发现很难将他们的航线画在图上,因为地球是圆形的球体,子午线像桔子瓣一样汇合在南北两极。那么怎样将球面上的一部分绘制在平面上,从而使航海者可以用直线来表示航线呢?
基哈德斯墨卡托找到了答案。他的办法是把地球表面切成若干份,将每一份展铺在平面上,然后每一部分好像都有弹力一样,将它们向两头伸拉,直到它们的两端连在一块儿。在离南北两极最近的地方伸拉的幅度最大,因此格陵兰岛会变得硕大无比。而在南北回归线之间的部分,尽管绝大多数的航海活动都是在这里进行的,但却伸拉的幅度最小。这样做的结果,每一部分都变成了一个长方形,和其它部分拼台起来就形成一幅完整的世界地图。平行的纬线同平行的经线相互交错形成了经纬网。这样一来,航海者就可以在平面上用直线画出他们的航线图来了。
1569年,墨卡托出版了他的世界地图,开创了地理学史上的新篇章。今天,大多数深海航行者依旧使用借助墨卡托投影画出来的航海图。
3、相关分类
墨卡托投影
在地图制图生产实践中,已经出现了许多种投影,为了便于研究和使用,有必要进行适当的分类。
按投影面分类
按投影面的形态不同而划分的三种投影:圆锥投影、圆柱投影和方位投影,这是我们在制图过程中经常遇到的三种投影方式:
圆锥投影:可以想象为用一个巨大的圆锥体罩住地球,把地表的位置投影到圆锥面上,然后沿着一条经线将圆锥切开展成平面。圆锥体罩住地球的方式可以有两种情形:与地球相切(单割线)、与地球相割形成两条与地球表面相割的割线(双割线)。
圆柱投影:用一个圆柱体罩住地球,把地表的位置投影到圆体面上,然后将圆体切开展成平面。圆柱投影可以作为圆锥投影的一个特例,即圆锥的顶点延伸到无穷远。
方位投影:以一个平面作为投影面,切于地球表面,把地表的位置投影到平面上。方位投影也可以作为圆锥投影的一个特例,即圆锥的夹角为180度,圆锥变为平面。
按投影面与地球椭球体的相对位置分类
根据投影面与地球椭球体的相对位置的不同,还可以将投影类型分为正轴投影、斜轴投影和横轴投影;
正轴投影:投影面的轴(圆锥圆柱的轴线,平面的法线)与地球椭球体的旋转轴重合。也称正常位置投影,或称极投影。
斜轴投影:投影面的轴(圆锥圆柱的轴线,平面的法线)既不与地球椭球体的旋转轴重合也不与赤道面重合。也称水平投影。
横轴投影:投影面的轴(圆锥圆柱的轴线,平面的法线)与地球赤道面重合。也称赤道投影。
按投影后的几何变形分类
按照投影后的几何变形分类可分三类:
等角投影(正形投影):地面上的任意两条直线的夹角,在经过地球投影绘制到图纸上以后,其夹角保持不变。
等面积投影:地面上的一块面积在经过地球投影绘制到图纸上以后,面积保持不变。
等距离投影:地面上的两个点之间的距离,在经过地球投影绘制到图纸上以后,距离保持不变。
实际上,有许多投影既不能保持等角又不能保持等面积,可以称之为任意投影。在这类投影中,既有角度变形又有面积变形。
综上所述,投影名称可以结合上述三种分类方法(投影面形状、投影面与地球椭球体的位置、投影后的变形性质)加以命名。如:正轴等角圆锥投影、正轴等角圆柱投影等等。
历史上也有一些投影是以设计者的名称命名,他们大都可以归类到上述的分类中,但也有一些此类投影方法无法按上述方法分类。
4、投影方法
百度地图和GoogleMaps使用的投影方法都是墨卡托投影。
经过墨卡托投影后的经线是均匀分布,在此主要介绍纬度的变换方法。
墨卡托投影把纬度为Φ(-90°
其中:
当Φ
当Φ=0时,sign(Φ)=0;
当Φ>0时,sign(Φ)=1;
abs(Φ)是Φ的绝对值。
这种投影算法使得赤道附近的纬线较密,极地附近的纬线较稀。极点被投影到无穷远,所以这种投影不适合在高纬度地区使用。GoogleMaps的选取的范围为-π
以上知识即可实现编程转换。
5、显示缺点
墨卡托投影的地图最大的缺点就是和现实差别太大,变形非常严重。
在墨卡托投影的地图上,变形最严重的就是非洲和格陵兰岛了。地图上非洲的大小和格陵兰岛差不多大,但如果计算一下的话:非洲面积约是3020万平方千米,格陵兰岛面积约是217万平方千米,而3020÷217≈14。也就是说,非洲的面积是格陵兰岛的14倍!
再比如墨卡托投影的地图上的加拿大,看起来是个瘦瘦的长方形,但实际上,加拿大是个类似正方形的的形状。它不仅扭曲得不像样,而且还被放大了好几倍。在地图上加拿大的面积大约是美国的三倍,实际上加拿大比美国大不了多少。加拿大的面积是998万平方千米,美国两部分合起来约963万平方千米,998÷963≈1.04。也就是说加拿大与美国的面积差不多。
推荐阅读