通用墨卡爾投影地圖投影

按照一定的數(shù)學法則將地球橢球面上的經(jīng)緯線轉(zhuǎn)移到平面上的方法。也就是使地球橢球面上各點的地理坐標與平面上各點的直角坐標(或極坐標)保持一定的函數(shù)關(guān)系。地球橢球面是曲面，而地圖是繪制在平面上，因此制圖時首先要把曲面展為平面。然而地球橢球面是個不可展的曲面，假如把它直接展為平面，必然發(fā)生破裂或褶皺，用這種具有破裂或褶皺的平面繪制地圖，顯然是不實用的。所以必須采用數(shù)學方法將曲面展為平面，以保持平面上圖形的完整和連續(xù)。地圖投影方法很多，但不論采用什么投影方法所得到的經(jīng)緯線網(wǎng)形狀都不可能與地球橢球面上的經(jīng)緯線網(wǎng)形狀完全相似。這表明投影之后地圖上的經(jīng)緯線網(wǎng)發(fā)生了變形，因而根據(jù)地理坐標展繪在地圖上的各種地理事物也必然隨之產(chǎn)生變形。變形主要表現(xiàn)在三個方面： 長度變形、面積變形和角度變形。變形是不可避免的，但若給予一定的條件，如等角條件，等積條件，則可使其中某種變形等于零，用以滿足不同用途對地圖投影的要求。按變形性質(zhì)地圖投影可分為三類：等角投影、等積投影和任意投影(包括等距投影)。

地圖投影最初建立在透視的幾何原理上，它是把地球橢球面直接透視到平面上，或透視到可展為平面的曲面上，如圓柱面和圓錐面。這樣就得到具有幾何意義的方位、圓柱和圓錐投影。隨著科學的發(fā)展，為了使地圖上變形盡量減小，或者為了使地圖滿足某些特定要求，地圖投影逐漸跳出了原來借助幾何面構(gòu)成投影的框子，而產(chǎn)生了一系列按照數(shù)學條件構(gòu)成的投影。按照構(gòu)成方法可以把地圖投影分為兩大類： 幾何投影和非幾何投影。幾何投影是把地球橢球面上的經(jīng)緯線投影到幾何面上，然后將幾何面展為平面而成的。根據(jù)幾何面的形狀可以分為方位投影、圓柱投影和圓錐投影。非幾何投影是不借助于幾何面，根據(jù)某些條件用數(shù)學解析法確定地球橢球面與平面之間點與點的函數(shù)關(guān)系。在這類投影中，一般按經(jīng)緯線形狀又分為偽方位投影、偽圓柱投影、偽圓錐投影和多圓錐投影。

通用墨卡爾投影是一種地圖投影方式，是墨卡托投影的推廣。是英、美、日、加拿大等國地形圖最通用的投影。簡稱“UTM投影”。屬等角橫軸割圓柱投影。因投影圓柱與地球相割，中央經(jīng)線投影后的長度比為0.9996，投影帶各部分的長度變形比較平穩(wěn)，其6°帶內(nèi)長度變形小于0.1%。

以圓柱面作為投影面，使圓柱面與地球相切或相割，將地球面上的經(jīng)緯線投影到圓柱面上，然后把圓柱面沿一條母線剪開展為平面而成。由于圓柱面與地球相切或相割的位置不同，有正軸圓柱投影、橫軸圓柱投影和斜軸圓柱投影。正軸圓柱投影是圓柱的軸與地軸重合，橫軸圓柱投影是圓柱的軸與地軸垂直，斜軸圓柱投影是圓柱的軸與地軸斜交。正軸圓柱投影的經(jīng)緯線形狀比較簡單，稱為標準網(wǎng)。緯線為平行直線，經(jīng)線為與緯線垂直且間隔相等的平行直線。在這類投影圖上任意一點的位置是用直角坐標表示的。設(shè)以某一條經(jīng)線為X軸，赤道為Y軸，由于緯線投影為平行于赤道的直線，所以X坐標僅依緯度的變化而變化，即X是緯度q的函數(shù)，一般用X=f(q)式表達。經(jīng)線為與赤道垂直的平行直線，經(jīng)線間的間隔與相應的經(jīng)差λ成正比，故Y坐標與經(jīng)差成正比，即y=cλ(c—常數(shù))。因此正軸圓柱投影的一般公式為：

在圓柱投影中應用比較廣泛的是正軸等角圓柱投影，又名墨卡托投影。在這個投影圖上赤道是標準緯線，其他各緯線的長度比均大于1。為了保持等角特性，任一點的經(jīng)線長度比均等于該點的緯線長度比，因此除赤道處經(jīng)線長度比等于1之外，其他地方的經(jīng)線長度比也隨緯度的增加而增大。例如在緯度60°地方，緯線與經(jīng)線的長度比均為2，緯度80°地方，經(jīng)線和緯線長度比均等于5.7。由于經(jīng)線長度比隨緯度增高而增大，故圖上緯線間隔從赤道向兩極逐漸增大。極地不能表示出來。

墨卡托投影具有一個很重要的特性，就是把等角航線(又稱斜航線)表現(xiàn)為直線，所以它在編制航海圖和航空圖中被廣泛采用。例如我國編繪比例尺小于1∶2.5萬的海圖采用的是這個投影。此外，由于這個投影在低緯度地區(qū)變形小，而且經(jīng)緯線形狀簡單，常用于繪制赤道附近的分國地圖。例如我國地圖出版社出版的一整套分國地圖中，沿赤道的分區(qū)地圖均采用這個投影。

又稱正軸等角圓柱投影。荷蘭制圖學家墨卡托于 1569年創(chuàng)制的一種使地圖無角度變形，赤道符合主比例尺，各緯線均與赤道等長的投影方法。 墨卡托投影以一個圓柱軸和地軸重合的假定圓 柱面作為投影面，按照等角投影的條件，將經(jīng)緯網(wǎng)投影到圓柱面上，再將圓柱面展平而成。在這種投影中，赤道為圓柱面和地球面的切線，是 一條無變形的標準線，其余緯線都與赤道平行 且等長，各緯線均按經(jīng)差等分;經(jīng)線為一組垂直于緯線的平行直線，緯線間距由赤道向高緯增 大，兩極在圖上則無法表示。按照等角 投影的特性，在墨卡托投影中，球面上的小圓投 影后仍保持圓形，但為保證等角及各緯線與赤道等長，必須使地圖上每一點的經(jīng)線比例尺和緯線比例尺相等，且隨緯度的增加而增大。因此，墨卡托投影只是在小范圍內(nèi)保持與實地輪廓相似，在地圖區(qū)域很大時，仍會有顯著的形狀變形，而且面積變形很大，在緯度60°處面積比例已比實際擴大了4倍；在緯度80°附近已擴大了33倍多。例如地處高緯的格陵蘭島，在墨卡托投影圖上，比實際面積8倍于它的南美洲 還顯得大。故除赤道附近東西延伸地區(qū)外，墨 卡托投影不宜用于制作各類表示地理事象分布情況的地圖，而主要適用于繪制海圖。這是因為在該投影圖上無角度變形，且經(jīng)線為平行直線。所以地球表面上與經(jīng)線相交成相同角度的 曲線，即等角航線在圖上均表現(xiàn)為直線。這一 特性對航海、航空具有極重要的意義。據(jù)此，即可在圖上將航行起點和終點連一直線，并量測 其與鄰近經(jīng)線的夾角，該象限角就是飛機或船只駛航的方向，而該直線即是沿等角航線駛航的路線。這就解決了16世紀航海上最大的技術(shù)難關(guān)，對促進地理探險、擴大國際交往都起到了極為重要的作用。但是等角航線并非是地球 面上兩點間的最短距離，地球面上兩點間的最 短距離是通過它們之間的大圓弧(又稱大圓航線)。例如從非洲南端的開普敦到澳大利亞的 墨爾本，沿等角航線為6020海里，而沿大圓航 線則僅為5 450海里。因此，完全沿等角航線 航行是不經(jīng)濟的。在實際航行時常沿趨近于大 圓航線的折線航行，每航行一段距離，就作一次方位調(diào)整。即在每段航線上是沿等角航線航行 的，但就整個航程而言，則是接近于大圓航線的。這樣既可縮短航程，又可減少定向上的困 難。隨著人造天體的發(fā)射，人類探索宇宙進入了一個新時代，墨卡托投影也被選作其他天體制圖的基礎(chǔ)，如月球、水星、火星、木星和土星等。

16世紀的地圖制圖學家。精通天文、數(shù)學和地理。出生于荷蘭佛蘭德斯省(現(xiàn)比利時安特衛(wèi)普附近)。1530—1532年就讀于盧萬大學。1552年移居德國的杜伊斯堡。早在1537年繪制了第一幅地圖(巴勒斯坦)，后接受對佛蘭德斯進行實地測繪任務，采用哥倫布發(fā)現(xiàn)的磁子午線為標準經(jīng)線，為實測地圖的開端。1540年在盧萬開設(shè)地圖作坊，印出依比例實測地圖，引起廣泛重視，并制成了地球儀，1568年制成著名航海地圖“世界平面圖”，該圖采用墨卡托設(shè)計的等角投影，被稱為“墨卡托投影”，可使航海者用直線(即等角航線)導航，并且第一次將世界完整地表現(xiàn)在地圖上，1630年以后普遍被采用，對世界性航海、貿(mào)易、探險等有重要作用，至今仍為最常用的海圖投影。晚年所著《地圖與記述》是地圖集巨著，轟動世界，封面上有古希臘神話中的撐天巨人阿特拉斯像，后人將“Atlas”用作地圖集同義詞，至今沿用。墨卡托是地圖發(fā)展史上劃時代人物，結(jié)束了托勒密時代的傳統(tǒng)觀念，開辟了近代地圖學發(fā)展的廣闊道路。 2100433B

許多國家采用通用墨卡托投影形式用于全球北緯84度至南緯80度之間地區(qū)的投影制圖，簡稱為UTM投影。它從幾何意義上可理解為等交橫軸割圓柱投影。在UTM投影中，橫軸圓柱面與地球面的兩條割線上沒有變形，在這兩條割線之間長度變形為負值，且中央子午線上長度變形為-0. 000 4在這兩條割線以外長度變形為正值。與高斯投影相比較，除等角條件及中央子午線投影為縱坐標軸這兩個投影條件與高斯投影相一致外，其平面直角坐標系的原點以及坐標軸的指向與高斯平面直角坐標系也一致；只是在UTM投影中，中央子午線投影長度比不再是1，而是取值0. 9996。高斯拎影話合干幅員廣闊的國家和地區(qū)，但其不足之處在于長度變形較大，導致面積變形也過大，尤其在投影帶邊緣地區(qū)。而Uw1投影由于其采用了0. 9996作為中央子午線的投影長度比，使整個投影帶的投影長度比普遍地減小了萬分之四，并顯著地減小了邊緣地區(qū)的長度變形，在低緯地區(qū)這種效果更為明顯。由于Uw1投影的諸多優(yōu)點，許多國家都把它作為高斯投影的改進，應用于自己國家的地圖制作中。

卡爾-斯蒂爾式焦爐的結(jié)構(gòu)示意圖如下（圖1）：