Поперечная картографическая проекция Меркатора ( TM , TMP ) является адаптацией стандартной проекции Меркатора . Поперечная версия широко используется в национальных и международных картографических системах по всему миру, включая универсальную поперечную проекцию Меркатора . В сочетании с подходящим геодезическим датумом поперечная проекция Меркатора обеспечивает высокую точность в зонах менее нескольких градусов в направлении с востока на запад.
Поперечная проекция Меркатора является поперечным аспектом стандартной (или нормальной ) проекции Меркатора. Они имеют одну и ту же базовую математическую конструкцию, и, следовательно, поперечная проекция Меркатора наследует многие черты от нормальной проекции Меркатора:
Поскольку центральный меридиан поперечной проекции Меркатора может быть выбран по желанию, его можно использовать для построения высокоточных карт (узкой ширины) в любой точке земного шара. Секущая, эллипсоидальная форма поперечной проекции Меркатора является наиболее широко применяемой из всех проекций для точных крупномасштабных карт.
При построении карты в любой проекции сфера обычно выбирается для моделирования Земли, когда протяженность отображаемой области превышает несколько сотен километров в длину в обоих измерениях. Для карт меньших областей следует выбирать эллипсоидальную модель , если требуется большая точность; см. следующий раздел. Сферическая форма поперечной проекции Меркатора была одной из семи новых проекций, представленных в 1772 году Иоганном Генрихом Ламбертом . [1] [2] (Текст также доступен в современном английском переводе. [3] ) Ламберт не давал названия своим проекциям; название поперечная Меркатор датируется второй половиной девятнадцатого века. [4] Основные свойства поперечной проекции здесь представлены в сравнении со свойствами нормальной проекции.
Нормальная проекция Меркатора | Поперечная проекция Меркатора | |||
---|---|---|---|---|
• | Центральный меридиан проецируется на прямую линию x = 0. Остальные меридианы проецируются на прямые линии с постоянным x . | • | Центральный меридиан проецируется на прямую линию x = 0. Меридианы, расположенные на 90 градусов к востоку и западу от центрального меридиана, проецируются на линии постоянного y, проходящие через проецируемые полюса. Все остальные меридианы проецируются на сложные кривые. | |
• | Экватор проецируется на прямую линию y = 0, а параллельные окружности проецируются на прямые линии постоянного y . | • | Экватор проецируется на прямую линию y = 0, но все остальные параллели представляют собой сложные замкнутые кривые. | |
• | Спроецированные меридианы и параллели пересекаются под прямым углом. | • | Спроецированные меридианы и параллели пересекаются под прямым углом. | |
• | Проекция неограничена в направлении Y. Полюса лежат в бесконечности. | • | Проекция не ограничена в направлении x . Точки на экваторе, расположенные под углом девяносто градусов к центральному меридиану, проецируются в бесконечность. | |
• | Проекция равноугольная. Формы мелких элементов хорошо сохранились. | • | Проекция равноугольная. Формы мелких элементов хорошо сохранились. | |
• | Искажение увеличивается с y . Проекция не подходит для карт мира. Искажение мало вблизи экватора, и проекция (особенно в ее эллипсоидальной форме) подходит для точного картографирования экваториальных регионов. | • | Искажение увеличивается с x . Проекция не подходит для карт мира. Искажение мало вблизи центрального меридиана, и проекция (особенно в ее эллипсоидальной форме) подходит для точного картографирования узких регионов. | |
• | Гренландия почти такая же большая, как Африка; ее фактическая площадь составляет примерно одну четырнадцатую площади Африки. | • | Когда Гренландия и Африка находятся вблизи центрального меридиана, их формы точны, а соотношение площадей является хорошим приближением к фактическим значениям. | |
• | Коэффициент масштабирования точки не зависит от направления. Он является функцией y на проекции. (На сфере он зависит только от широты.) Масштаб верен на экваторе. | • | Коэффициент масштабирования точки не зависит от направления. Он является функцией x на проекции. (На сфере он зависит как от широты, так и от долготы.) Масштаб верен на центральном меридиане. | |
• | Проекция достаточно точна вблизи экватора. Масштаб на угловом расстоянии 5° (по широте) от экватора меньше, чем на 0,4% больше масштаба на экваторе, и примерно на 1,54% больше на угловом расстоянии 10°. | • | Проекция достаточно точна вблизи центрального меридиана. Масштаб на угловом расстоянии 5° (по долготе) от центрального меридиана меньше, чем на 0,4% больше масштаба на центральном меридиане, и составляет около 1,54% на угловом расстоянии 10°. | |
• | В секущей версии масштаб уменьшен на экваторе и он верен на двух линиях, параллельных проецируемому экватору (и соответствующих двум параллельным окружностям на сфере). | • | В секущей версии масштаб уменьшен на центральном меридиане, и он верен на двух линиях, параллельных проецируемому центральному меридиану. (Эти две линии не являются меридианами.) | |
• | Конвергенция (угол между проецируемыми меридианами и линиями сетки с постоянной x ) тождественно равна нулю. Север сетки и истинный север совпадают. | • | Конвергенция равна нулю на экваторе и ненулевая везде. Она увеличивается по мере приближения к полюсам. Север сетки и истинный север не совпадают. | |
• | Локальные линии (постоянного азимута на сфере) проецируются в прямые линии. |
Эллипсоидальная форма поперечной проекции Меркатора была разработана Карлом Фридрихом Гауссом в 1822 году [5] и дополнительно проанализирована Иоганном Генрихом Луи Крюгером в 1912 году [6].
Проекция известна под несколькими названиями: (эллипсоидальная) поперечная Меркатора в США; Гаусс-конформная или Гаусс-Крюгер в Европе; или Гаусс-Крюгер поперечная Меркатора в более общем смысле. Помимо того, что это просто синоним эллипсоидальной поперечной картографической проекции Меркатора, термин Гаусс-Крюгер может использоваться и в других, немного отличающихся значениях:
Проекция является конформной с постоянным масштабом на центральном меридиане. (Существуют и другие конформные обобщения поперечной проекции Меркатора от сферы до эллипсоида, но только проекция Гаусса-Крюгера имеет постоянный масштаб на центральном меридиане.) На протяжении двадцатого века поперечная проекция Меркатора Гаусса-Крюгера была принята в той или иной форме многими странами (и международными организациями); [7] кроме того, она обеспечивает основу для серии проекций Universal Transverse Mercator . Проекция Гаусса-Крюгера в настоящее время является наиболее широко используемой проекцией в точном крупномасштабном картографировании. [ требуется ссылка ]
Проекция, разработанная Гауссом и Крюгером, была выражена в терминах степенных рядов низкого порядка , которые, как предполагалось, расходятся в направлении восток-запад, точно так же, как в сферической версии. Это было доказано британским картографом Э. Х. Томпсоном, чья неопубликованная точная (замкнутая форма) версия проекции, сообщенная Лоуренсом Патриком Ли в 1976 году, [8] показала, что эллипсоидальная проекция конечна (ниже). Это самое поразительное различие между сферической и эллипсоидальной версиями поперечной проекции Меркатора: Гаусс-Крюгер дает разумную проекцию всего эллипсоида на плоскость, хотя ее основное применение заключается в точном крупномасштабном картографировании «вблизи» центрального меридиана. [ требуется ссылка ]
В большинстве приложений система координат Гаусса–Крюгера применяется к узкой полосе вблизи центральных меридианов, где различия между сферической и эллипсоидальной версиями невелики, но тем не менее важны для точного картографирования. Прямые ряды для масштаба, конвергенции и искажения являются функциями эксцентриситета и как широты, так и долготы на эллипсоиде: обратные ряды являются функциями эксцентриситета и как x, так и y на проекции. В секущей версии линии истинного масштаба на проекции больше не параллельны центральному меридиану; они слегка искривлены. Угол конвергенции между спроецированными меридианами и линиями сетки константы x больше не равен нулю (за исключением экватора), поэтому необходимо скорректировать пеленг сетки, чтобы получить азимут от истинного севера. Разница невелика, но ею нельзя пренебрегать, особенно на высоких широтах.
В своей статье 1912 года [6] Крюгер представил два различных решения, различающихся здесь параметром расширения:
Ряды Крюгера– λ были реализованы первыми, возможно, потому, что их было гораздо легче оценивать на ручных калькуляторах середины двадцатого века.
Ряд Крюгера– n был реализован (до четвертого порядка по n ) следующими странами.
Версии ряда Крюгера –n более высокого порядка были реализованы до седьмого порядка Энгзагером и Подером [21] и до десятого порядка Кавасе. [22] Помимо расширения ряда для преобразования между широтой и конформной широтой, Карни реализовал ряд до тридцатого порядка. [23]
Точное решение EH Thompson описано LP Lee. [8] Оно построено в терминах эллиптических функций (определенных в главах 19 и 22 справочника NIST [24] ), которые могут быть вычислены с произвольной точностью с использованием алгебраических вычислительных систем, таких как Maxima. [25] Такая реализация точного решения описана Karney (2011). [23] [26]
Точное решение является ценным инструментом для оценки точности усеченных рядов n и λ. Например, исходный ряд Krüger– n 1912 года очень выгодно отличается от точных значений: они отличаются менее чем на 0,31 мкм в пределах 1000 км от центрального меридиана и менее чем на 1 мм к 6000 км. С другой стороны, разница между рядом Redfearn, используемым GEOTRANS, и точным решением составляет менее 1 мм к разнице долготы в 3 градуса, что соответствует расстоянию 334 км от центрального меридиана на экваторе, но всего лишь 35 км на северной границе зоны UTM. Таким образом, ряд Krüger– n намного лучше ряда Redfearn λ.
Серия Редфирна становится намного хуже по мере расширения зоны. Карни рассматривает Гренландию как поучительный пример. Длинный тонкий массив суши сосредоточен на 42W и в самой широкой точке находится не более чем в 750 км от этого меридиана, в то время как размах по долготе достигает почти 50 градусов. Крюгер– n имеет точность в пределах 1 мм, но версия Редфирна серии Крюгера– λ имеет максимальную ошибку в 1 километр.
Ряд Карни 8-го порядка (по n ) имеет точность до 5 морских миль в пределах 3900 км от центрального меридиана.
Нормальные цилиндрические проекции описываются относительно цилиндра, касательного к экватору с осью вдоль полярной оси сферы. Цилиндрические проекции строятся так, что все точки на меридиане проецируются в точки с (где — радиус Земли ), а — предписанная функция . Для касательной нормальной проекции Меркатора (единственные) формулы, гарантирующие конформность, следующие: [27]
Конформность подразумевает, что точечный масштаб k не зависит от направления: он является функцией только широты:
Для секущей версии проекции в правой части всех этих уравнений имеется множитель k 0 : это гарантирует, что масштаб на экваторе равен k 0 .
Рисунок слева показывает, как поперечный цилиндр связан с обычной сеткой на сфере. Он касается некоторого произвольно выбранного меридиана, а его ось перпендикулярна оси сферы. Оси x и y , определенные на рисунке, связаны с экватором и центральным меридианом точно так же, как для нормальной проекции. На рисунке справа повернутая сетка связана с поперечным цилиндром таким же образом, как нормальный цилиндр связан со стандартной сеткой. «Экватор», «полюса» (E и W) и «меридианы» повернутой сетки отождествляются с выбранным центральным меридианом, точками на экваторе в 90 градусах к востоку и западу от центрального меридиана и большими окружностями, проходящими через эти точки.
Положение произвольной точки ( φ , λ ) на стандартной сетке также можно определить в терминах углов на повернутой сетке: φ′ (угол M′CP) является эффективной широтой, а − λ′ (угол M′CO) становится эффективной долготой. (Знак минус необходим для того, чтобы ( φ′ , λ′ ) были связаны с повернутой сеткой так же, как ( φ , λ ) связаны со стандартной сеткой). Декартовы оси ( x′ , y′ ) связаны с повернутой сеткой так же, как оси ( x , y ) связаны со стандартной сеткой.
Касательная поперечная проекция Меркатора определяет координаты ( x′ , y′ ) через − λ′ и φ′ с помощью формул преобразования касательной нормальной проекции Меркатора:
Это преобразование проецирует центральный меридиан на прямую линию конечной длины и в то же время проецирует большие окружности через E и W (включая экватор) на бесконечные прямые линии, перпендикулярные центральному меридиану. Истинные параллели и меридианы (кроме экватора и центрального меридиана) не имеют простого отношения к повернутой сетке и проецируются на сложные кривые.
Углы двух сеток связаны с помощью сферической тригонометрии на сферическом треугольнике NM′P, определяемом истинным меридианом через начало координат, OM′N, истинным меридианом через произвольную точку, MPN, и большим кругом WM′PE. Результаты таковы: [27]
Прямые формулы, дающие декартовы координаты ( x , y ), немедленно следуют из вышеизложенного. Принимая x = y′ и y = − x′ (и восстанавливая множители k 0 для учета версий секущей)
Вышеуказанные выражения приведены в работе Ламберта [1] , а также (без выводов) в работах Снайдера [13] , Мэлинга [28] и Осборна [27] (с полными подробностями).
Обращение приведенных выше уравнений дает
В терминах координат относительно повернутой сетки коэффициент масштабирования точек определяется как k = sec φ′ : он может быть выражен либо в терминах географических координат, либо в терминах координат проекции:
Второе выражение показывает, что масштабный фактор является просто функцией расстояния от центрального меридиана проекции. Типичное значение масштабного фактора равно k 0 = 0,9996, так что k = 1, когда x составляет приблизительно 180 км. Когда x составляет приблизительно 255 км и k 0 = 1,0004: масштабный фактор находится в пределах 0,04% от единицы на полосе шириной около 510 км.
Угол конвергенции γ в точке проекции определяется углом, измеренным от проецируемого меридиана, который определяет истинный север, до линии сетки постоянной x , определяющей север сетки. Таким образом, γ положительно в квадранте к северу от экватора и к востоку от центрального меридиана, а также в квадранте к югу от экватора и к западу от центрального меридиана. Конвергенция должна быть добавлена к пеленгу сетки, чтобы получить пеленг от истинного севера. Для секущей поперечной проекции Меркатора конвергенция может быть выражена [27] либо в терминах географических координат, либо в терминах координат проекции:
Подробности фактических реализаций
Координаты проекции, полученные в результате различных разработок эллипсоидальной поперечной проекции Меркатора, являются декартовыми координатами, такими, что центральный меридиан соответствует оси x , а экватор соответствует оси y . Как x, так и y определены для всех значений λ и ϕ . Проекция не определяет сетку: сетка является независимой конструкцией, которая может быть определена произвольно. На практике национальные реализации и UTM используют сетки, выровненные с декартовыми осями проекции, но они имеют конечную протяженность, с началами, которые не обязательно совпадают с пересечением центрального меридиана с экватором.
Истинное начало координат сетки всегда берется на центральном меридиане, так что координаты сетки будут отрицательными к западу от центрального меридиана. Чтобы избежать таких отрицательных координат сетки, стандартная практика определяет ложное начало координат к западу (и, возможно, к северу или югу) от начала координат сетки: координаты относительно ложного начала координат определяют восточное и северное направления , которые всегда будут положительными. Ложное восточное направление , E 0 , является расстоянием истинного начала координат сетки к востоку от ложного начала координат. Ложное северное направление , N 0 , является расстоянием истинного начала координат сетки к северу от ложного начала координат. Если истинное начало координат сетки находится на широте φ 0 на центральном меридиане, а масштабный коэффициент центрального меридиана равен k 0, то эти определения дают восточное и северное направления следующим образом:
Термины «восток» и «север» не означают строго восточное и северное направления. Линии сетки поперечной проекции, кроме осей x и y , не проходят с севера на юг или с востока на запад, как это определено параллелями и меридианами. Это очевидно из глобальных проекций, показанных выше. Вблизи центрального меридиана различия невелики, но измеримы. Разница между линиями сетки север-юг и истинными меридианами — это угол конвергенции.