地图投影详解:横轴墨卡托、兰伯特等角圆锥与阿尔伯斯等积投影

把弯曲的地球画成平面地图,总要有所取舍。投影决定在展平时保留哪些性质——角度、面积还是距离——又让哪些性质变形。对测量数据而言,这一选择决定在格网上量得的长度是否等于地面上的长度;对专题地图而言,它决定两块面积相等的区域看起来是否一样大。测量人员和 GIS 用户遇到的大多数情况,由三种投影覆盖:横轴墨卡托(含 UTM)、兰伯特等角圆锥和阿尔伯斯等积圆锥。

投影牺牲了什么

没有一种投影能同时保持形状、面积、距离和方向。等角投影保持角度,小范围的形状看起来正确,在图上量得的方位角就是地面上的方位角——这正是测量所需要的。等积投影保持面积,图上任何位置的一公顷都代表一公顷,代价是形状变形。任何投影的比例尺都在变化;比例因子说明某一点上变化了多少。

投影坐标参考系由投影、基准和单位组合而成,其 EPSG 代码指代整个组合。所以两个数据集都写着“UTM 35N 带”,却仍可能对不上:它们的基准不同。

横轴墨卡托与 UTM

横轴墨卡托用一个圆柱包住地球,使其沿中央子午线相切。在该子午线两侧狭窄的南北条带内,比例尺几乎准确,并随着向东或向西的距离增加而增大。该投影是等角的,因此大多数测量格网都建立在它之上。

UTM(通用横轴墨卡托)把全球分为 60 个 6° 经度宽的投影带,并把中央子午线上的比例乘以 0.9996,以便把误差分摊到整个投影带:格网距离在中央子午线上短约 0.04%,在其两侧约 180 km 处准确,在赤道附近的带边缘最多长约 0.1%。各国格网使用同一投影,但带宽和比例因子不同——例如土耳其采用 3° 带,中央子午线比例因子为 1。

兰伯特等角圆锥投影

兰伯特等角圆锥投影把一个圆锥罩在地球上,通常使其沿两条标准纬线与地球相割。比例尺在这两条纬线上准确,在两者之间略小、在其外略大,并且只随纬度变化。因此它适合东西宽、南北窄的中纬度地区,在这类地区一个横轴墨卡托投影带会显得太窄。与横轴墨卡托一样,它也是等角投影。

许多国家和地区的格网建立在它之上——法国的 Lambert-93(EPSG:2154)就是一例——许多航空图也是如此。

阿尔伯斯等积圆锥投影

阿尔伯斯同样是有两条标准纬线的圆锥投影,但它保持的是面积而不是角度。图上每单位面积代表地面上相同的面积,因此它是中纬度范围内统计和专题地图的投影:在一个区域内比较土地覆盖、流域面积或林分。美国本土(EPSG:5070)和澳大利亚(EPSG:3577)都有标准的阿尔伯斯坐标系。

由于形状和距离为保持面积而变形,阿尔伯斯投影不适合放样或量测长度。以该投影交付的数据,通常在开始工程工作之前重投影到等角格网。

横轴墨卡托、兰伯特等角圆锥与阿尔伯斯等积投影对比
投影保持最适合的范围典型用途示例
横轴墨卡托(UTM)角度和局部形状(等角)中央子午线两侧狭窄的南北条带测量与工程格网、国家横轴墨卡托投影带WGS 84 / UTM 35N 带 — EPSG:32635
兰伯特等角圆锥角度和局部形状(等角)东西宽于南北的中纬度地区国家和地区格网、航空图RGF93 / Lambert-93 — EPSG:2154
阿尔伯斯等积圆锥面积(等积)中纬度地区和大陆尺度范围面积统计和专题地图NAD83 / Conus Albers — EPSG:5070

测量数据应使用哪种投影?

在靠近工地的等角投影中量测:当地的横轴墨卡托投影带、国家格网,或为项目定义的低变形投影。一个项目的所有数据——DEM、正射影像、点云和 CAD——都保持同一个投影 CRS,使您比较的数字处在同一格网中。

投影作用于椭球面,因此格网距离与地面距离之间相差比例因子以及相对椭球面的高度的影响。当合同要求地面距离时,应使用综合比例因子,而不是假定格网就是地面。

STREAM 如何处理投影

STREAM 读取 GeoTIFF、LAS/LAZ 文件或项目声明的坐标系,并将其解析为 EPSG 代码,因此 UTM 或国家横轴墨卡托投影带、兰伯特等角圆锥格网和阿尔伯斯坐标系都以同样方式读取。距离、面积和体积均以该 CRS 的格网单位量测。

每个项目保持一个投影 CRS。如果某个栅格以其他投影交付,请在加载前先重投影,使所有图层共用同一格网。

常见问题

横轴墨卡托与 UTM 有什么区别?

横轴墨卡托是投影;UTM 是由 60 个 6° 宽的横轴墨卡托投影带组成的体系,中央子午线比例因子为 0.9996。各国格网使用同一投影,但有各自的带宽和比例因子。

什么时候使用兰伯特等角圆锥投影?

用于东西宽于南北的中纬度地区,在这些地区一个横轴墨卡托投影带会太窄。它是等角投影,与横轴墨卡托一样保持角度和局部形状。

阿尔伯斯等积投影适合测量量测吗?

不适合。阿尔伯斯保持的是面积,而不是角度或距离,适用于面积统计和专题地图。量测长度或放样,请使用等角投影,例如横轴墨卡托投影带。

为什么格网上的距离与地面上的距离不同?

因为投影格网的比例因子在图上各处不同,而且地面高于椭球面。在一个 UTM 投影带内,仅比例因子就从中央子午线上的 0.9996 变化到带边缘约 1.001;综合比例因子用于在格网与地面之间换算。

在 STREAM 中使用投影坐标系

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