Веб-проекция Меркатора - Web Mercator projection

Домашняя страница OpenStreetMap в 2018 году. Стандартный стиль OpenStreetMap, как и большинство веб-карт, использует проекцию Web Mercator.

Web Mercator, Google Web Mercator, Сферический Меркатор, WGS 84 Web Mercator^[1] или же WGS 84 / Псевдо-Меркатор это вариант Проекция Меркатора и это стандарт де-факто за Интернет картографические приложения. Он стал известен, когда Карты Гугл принял его в 2005 году.^[2] Он используется практически всеми основными поставщиками онлайн-карт, включая Google Maps, Mapbox,^[3] Карты Bing, OpenStreetMap, Mapquest, Esri, и много других.^[4] Это официально Идентификатор EPSG это EPSG: 3857, хотя исторически использовались и другие.

Характеристики

Веб-Меркатор - это небольшой вариант проекции Меркатора, используемый в основном в картографических веб-программах. Он использует те же формулы, что и стандартный Меркатор, который используется для мелкомасштабные карты. Однако Web Mercator использует сферические формулы на всех уровнях, тогда как крупномасштабный Карты Меркатора обычно используют эллипсоидальную форму проекции. Расхождение незаметно в глобальном масштабе, но приводит к небольшому отклонению карт локальных областей от истинных эллипсоидальных карт Меркатора в том же масштабе. Это отклонение становится более выраженным при удалении от экватора и может достигать 40 км на земле.^[5][6]

Хотя формулы Веб-Меркатора предназначены для сферической формы Меркатора, географические координаты должны быть в WGS 84 эллипсоидальные данные. Это несоответствие приводит к тому, что прогноз немного не соответствует действительности.конформный. Общее непонимание того, что Web Mercator отличается от стандартного использования Mercator, вызвало значительную путаницу и неправильное использование.^[4]:87 По всем этим причинам Министерство обороны США сквозь Национальное агентство геопространственной разведки объявил эту картографическую проекцию неприемлемой для любого официального использования.^[7]

Формулы

Формулы для веб-Меркатора в основном те же, что и для стандартного сферического Меркатора, но перед применением масштабирования "мировые координаты" настраиваются таким образом, чтобы верхний левый угол был (0, 0) и правый нижний угол (256, 256):^[8]

${\displaystyle {\begin{aligned}x&=\left\lfloor {\frac {256}{2\pi }}2^{\text{zoom level}}(\lambda +\pi )\right\rfloor {\text{ pixels}}\\[5pt]y&=\left\lfloor {\frac {256}{2\pi }}2^{\text{zoom level}}\left(\pi -\ln \left[\tan \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\varphi }{2}}\right)\right]\right)\right\rfloor {\text{ pixels}}\end{aligned}}}$

куда λ это долгота в радианах и φ является геодезическая широта в радианах.

Поскольку Меркатор проецирует полюса на бесконечность, карта, использующая проекцию Web Mercator, не может показать полюса. Такие сервисы, как Google Maps, перекрывают зону покрытия на 85,051129 ° северной и южной широты. Это не ограничение для карт улиц, что является основной целью таких сервисов. Значение 85,051129 ° - это широта, на которой вся проецируемая карта становится квадратом, и вычисляется как φ данный у = 0:

${\displaystyle {\begin{aligned}\varphi _{\text{max}}=\left[2\arctan(e^{\pi })-{\frac {\pi }{2}}\right]\end{aligned}}}$

Сферическая и эллипсоидальная смесь

Проекция не является ни строго эллипсоидальной, ни строго сферической. В определении EPSG говорится, что проекция «использует сферическое развитие эллипсоидальных координат».^[9] Основные географические координаты определяются с помощью WGS84 эллипсоидальная модель поверхности Земли, но проецируется так, как если бы она была определена на сфере.^[6] Эта практика не вызывает споров для мелкомасштабных карт (например, всего мира), но имеет мало прецедентов для крупномасштабных карт (например, города или провинции).^[10]

Преимущества и недостатки

Паутина Меркатора - это сферическая проекция Меркатора, поэтому она имеет те же свойства, что и сферическая проекция Меркатора: север везде вверху, меридианы - это вертикальные линии, расположенные на равных расстояниях, углы локально правильные (предполагая сферические координаты), а области увеличиваются с расстоянием от экватора так что полярные регионы сильно преувеличены. Эллипсоидный Меркатор имеет те же свойства, но моделирует Землю как эллипсоид.

Однако, в отличие от эллипсоидального Меркатора, паутина Меркатора не совсем конформна. Это означает, что углы между линиями на поверхности не будут соответствовать одинаковым углам на карте, хотя они не будут отклоняться настолько, чтобы их можно было заметить невооруженным глазом. Линии отклоняются, потому что Web Mercator указывает, что координаты должны быть даны в соответствии с съемкой на эллипсоидальной модели WGS 84. При проецировании координат, полученных при съемке на эллипсоид, как если бы они были сняты на сфере, угловые соотношения немного меняются. Это стандартная практика для стандартной сферической проекции Меркатора, но, в отличие от Web Mercator, сферическая проекция Меркатора обычно не используется для карт местности, таких как карты улиц, и поэтому точность позиций, необходимых для построения, обычно меньше углового отклонения. вызвано использованием сферических формул. Преимущество Web Mercator заключается в том, что сферическую форму гораздо проще вычислить, чем эллипсоидальную форму, и поэтому требуется лишь небольшая часть вычислительных ресурсов.^[11]

Идентификаторы

Из-за медленного принятия Реестр EPSG, Web Mercator представлен несколькими разными именами и идентификаторы системы пространственной привязки (SRID), включая EPSG: 900913, EPSG: 3785 и EPSG: 3857.

EPSG: 900913

В проектируемой системе координат изначально не было официального идентификатора пространственной привязки (SRID ), а подкомитет по геодезии комитета по геоматике OGP (также известный как EPSG) отказался предоставить его, заявив: «Мы проверили систему координат, используемую Microsoft, Google и т. д., и считаем, что она технически некорректна. Мы не обесценит набор данных EPSG, включая такие несоответствующие геодезические и картографические данные ".^[12] Неофициальный код «EPSG: 900913» (GOOGLE транслитерированный в числа ) стали использоваться. Первоначально он был определен Кристофером Шмидтом в его блоге Technical Ramblings.^[13] и кодифицирован в OpenLayers 2,^[14] что технически сделает OpenLayers авторитетом SRID.

EPSG: 3785

В 2008 году EPSG предоставила официальный идентификатор EPSG: 3785 с официальным названием «Popular Visualization». CRS / Mercator ", но отметил:" Это не официальный геодезический система".^[6] В этом определении использовалась сферическая (а не эллипсоидальная) модель Земли.

EPSG: 3857

Позже в том же году EPSG предоставила обновленный идентификатор EPSG: 3857 с официальным названием «WGS 84 / Pseudo-Mercator».^[6] Определение переключилось на использование WGS84 эллипсоид (EPSG: 4326), а не сфера.

Хотя прогноз тесно связан с Google, Microsoft указана как «источник информации» в стандартах EPSG.^[15]

Другие идентификаторы

Другие использованные идентификаторы включают ESRI: 102113, ESRI: 102100 и OSGEO: 41001.^[15][13]

ESRI: 102113 соответствует EPSG: 3785, а ESRI: 102100 соответствует EPSG: 3857.^[16]

WKT определение

Проекция покрывает Землю от -180 ° до 180 ° долготы и 85,05 ° северной и южной широты. С помощью общеизвестное текстовое представление систем координат (WKT), EPSG: 3857 определяется следующим образом:^[15]

PROJCS [«WGS 84 / Псевдо-Меркатор», GEOGCS [«WGS 84», DATUM [«WGS_1984», SPHEROID [«WGS 84», 6378137,298.257223563, AUTHORITY [«EPSG», «7030»]], ВЛАСТЬ [" EPSG "," 6326 "]], PRIMEM [" Гринвич ", 0, АВТОРИТЕТ [" EPSG "," 8901 "]], UNIT [" степень ", 0,0174532925199433, АВТОРИТЕТ [" EPSG "," 9122 "]], АВТОРИТЕТ ["EPSG", "4326"]], ПРОЕКЦИЯ ["Mercator_1SP"], ПАРАМЕТР ["центральный_меридиан", 0], ПАРАМЕТР ["масштаб_фактор", 1], ПАРАМЕТР ["false_easting", 0], ПАРАМЕТР ["false_northing" , 0], UNIT ["метр", 1, AUTHORITY ["EPSG", "9001"]], AXIS ["X", EAST], AXIS ["Y", NORTH], EXTENSION ["PROJ4", "+ proj = merc + a = 6378137 + b = 6378137 + lat_ts = 0.0 + lon_0 = 0.0 + x_0 = 0.0 + y_0 = 0 + k = 1.0 + units = m + nadgrids = @ null + wktext + no_defs "], AUTHORITY [" EPSG "," 3857 "]]

Рекомендации

1. "WGS 84 и Геоматическое бюро веб-проекции Меркатора NGA" (PDF). Национальное агентство геопространственной разведки. 2014-05-16. Получено 2014-08-06.
2. "Справочный форум Карт Google и Земли". Получено 29 августа 2017.
3. «Наши картографические данные». MapBox. Получено 20 июня, 2018. Mapbox поддерживает популярную проекцию Web Mercator и в настоящее время не поддерживает никакие другие проекции для отображения.
4. Баттерсби, Сара Э .; Финн, Майкл П .; Усери, Э. Линн; Ямамото, Кристина Х. (2014). «Последствия Web Mercator и его использование в онлайн-картографии» (PDF). Картографика. 49 (2): 92. Дои:10.3138 / carto.49.2.2313.
5. "NGA: (U) Консультативное уведомление NGA на сайте" Web Mercator "(НЕКЛАССИФИЦИРОВАНО)". earth-info.nga.mil. Получено 2018-06-07.
6. "Сферическая проекция Меркатора на Google Maps / Bing Maps". Аластер Эйчисон. Получено 4 октября 2014.
7. "NGA: (U) Консультативное уведомление NGA на сайте" Web Mercator "(НЕКЛАССИФИЦИРОВАНО)". Получено 4 октября 2014.
8. "Названия фрагментов карты OpenStreetMap Slippy". openstreetmap.org. Получено 2018-11-14.
9. http://www.epsg-registry.org/report.htm?type=selection&entity=urn:ogc:def:crs:EPSG::3857&reportDetail=short&style=urn:uuid:report-style:default-with-code&style_name=OGP % 20По умолчанию% 20With% 20Code & title = EPSG: 3857
10. Стребе, Даниэль «Даан» (2019). «Набор сохраняющих площадь преобразований для дизайнеров картографических проекций». Картография и географическая информатика. 46 (3). Дои:10.1080/15230406.2018.1452632.
11. «Земля не круглая! Юта, прогнозы NAD83 и WebMercator». ГИС-портал штата Юта. Получено 2020-06-20.
12. http://www.sharpgis.net/post/2008/05/15/SphericalWeb-Mercator-EPSG-code-3785
13. http://crschmidt.net/blog/archives/243/google-projection-900913
14. http://docs.openlayers.org/library/spherical_mercator.html
15. http://epsg.io/3857
16. https://geonet.esri.com/message/61713