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    墨卡托投影(Mercator Projection),又名“等角正轴圆柱投影”,荷兰地图学家墨卡托(Mercator)在1569年拟定,假设地球被围在一个中空的圆柱里,其赤道与圆柱相接触,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,这就是一幅标准纬线为零度(即赤道)的“墨卡托投影”绘制出的世界地图。

    一、墨卡托投影坐标系(Mercator Projection)

    墨卡托投影以整个世界范围,赤道作为标准纬线,本初子午线作为中央经线,两者交点为坐标原点,向东向北为正,向西向南为负。南北极在地图的正下、上方,而东西方向处于地图的正右、左。

    由于Mercator Projection在两极附近是趋于无限值得,因此它并没完整展现了整个世界,地图上最高纬度是85.05度。为了简化计算,我们采用球形映射,而不是椭球体形状。虽然采用Mercator Projection只是为了方便展示地图,需要知道的是,这种映射会给Y轴方向带来0.33%的误差。

    由于赤道半径为6378137米,则赤道周长为2*PI*r = 20037508.3427892,因此X轴的取值范围: [-20037508.3427892,20037508.3427892]。当纬度φ接近两极,即90°时,Y值趋向于无穷。因此通常把Y轴的取值范围也限定在[-20037508.3427892,20037508.3427892]之间。因此在墨卡托投影坐标系(米)下的坐标范围是:最小为 (-20037508.3427892, -20037508.3427892 )到最大 坐标为 (20037508.3427892, 20037508.3427892)。

    二、地理坐标系(Geographical coordinates)

    地理经度的取值范围是[-180,180],纬度不可能到达90°,通过纬度取值范围为 [20037508.3427892,20037508.3427892]反计算可得到纬度值为85.05112877980659。因此纬度取值范围是 [-85.05112877980659,85.05112877980659]。因此,地理坐标系(经纬度)对应的范围是:最小地理坐标 (-180,-85.05112877980659),最大地理坐标(180, 85.05112877980659)。

    三、地面分辨率(Ground Resolution)
    地面分辨率是以一个像素(pixel)代表的地面尺寸(米)。以微软Bing Maps为例,当Level为1时,图片大小为512*512(4个Tile),那么赤道空间分辨率为:赤道周长/512。其他纬度的空间分辨率则为 纬度圈长度/512,极端的北极则为0。Level为2时,赤道的空间分辨率为 赤道周长/1024,其他纬度为 纬度圈长度1024。很明显,Ground Resolution取决于两个参数,缩放级别Level和纬度latitude ,Level决定像素的多少,latitude决定地面距离的长短。

    地面分辨率的公式为,单位:米/像素:

    ground resolution = (cos(latitude * pi/180) * 2 * pi * 6378137 meters) / (256 * 2level pixels)

    最低地图放大级别(1级),地图是512 x 512像素。每下一个放大级别,地图的高度和宽度分别乘于2:2级是1024 x 1024像素,3级是2048 x 2048像素,4级是4096 x 4096像素,等等。通常而言,地图的宽度和高度可以由以下式子计算得到:map width = map height = 256 * 2^level pixels

    四、地图比例尺(Map Scale)

    地图比例尺是指测量相同目标时,地图上距离与实际距离的比例。通过地图分辨率在计算可知由Level可得到图片的像素大小,那么需要把其转换为以米为单位的距离,涉及到DPI(dot per inch),暂时可理解为类似的PPI(pixelper inch),即每英寸代表多少个像素。 256 * 2level / DPI 即得到相应的英寸inch,再把英寸inch除以0.0254转换为米。实地距离仍旧是:cos(latitude * pi/180) * 2 * pi * 6378137 meters; 因此比例尺的公式为:

    map scale = 256 * 2level / screen dpi / 0.0254 / (cos(latitude * pi/180) * 2 * pi * 6378137)

    比例尺= 1 : (cos(latitude * pi/180) * 2 * pi * 6378137 * screen dpi) / (256 * 2level * 0.0254)

    地面分辨率和地图比例尺之间的关系:

    map scale = 1 : ground resolution * screen dpi / 0.0254 meters/inch

    五、Bing Maps像素坐标系和地图图片编码

    为了优化地图系统性能,提高地图下载和显示速度,所有地图都被分割成256 x 256像素大小的正方形小块。由于在每个放大级别下的像素数量都不一样,因此地图图片(Tile)的数量也不一样。每个tile都有一个XY坐标值,从左上角的(0, 0)至右下角的(2^level–1, 2^level–1)。例如在3级放大级别下,所有tile的坐标值范围为(0, 0)至(7, 7),如下图:

    已知一个像素的XY坐标值时,我们很容易得到这个像素所在的Tile的XY坐标值:

    tileX = floor(pixelX / 256) tileY = floor(pixelY / 256)

    为了简化索引和存储地图图片,每个tile的二维XY值被转换成一维字串,即四叉树键值(quardtree key,简称quadkey)。每个quadkey独立对应某个放大级别下的一个tile,并且它可以被用作数据库中B-tree索引值。为了将坐标值转换成quadkey,需要将Y和X坐标二进制值交错组合,并转换成4进制值及对应的字符串。例如,假设在放大级别为3时,tile的XY坐标值为(3,5),quadkey计算如下:

    tileX = 3 = 011(二进制)

    tileY = 5 = 101(二进制)

    quadkey = 100111(二进制) = 213(四进制) = “213”

    Quadkey还有其他一些有意思的特性。第一,quadkey的长度等于该tile所对应的放大级别;第二,每个tile的quadkey的前几位和其父tile(上一放大级别所对应的tile)的quadkey相同,下图中,tile 2是tile 20至23的父tile,tile 13是tile 130至133的父级:

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