球面墨卡托在机场应用中的误差

球面墨卡托(EPSG: 3857)随着瓦片地图的流行也许是当今网络电子地图中最为普遍采用的投影坐标系。众所周知,这种投影会把南北极点拉伸成一条与赤道等长的线,因而在高纬度区域对长度和面积的夸大都是相当可观的。不过在本人学习地图学以来的日常空间分析和地图制作中,很少会涉及需要考虑这一效应的时候。除了专门举例不同投影的形变特性的例子,印象中唯一感受到过的影响应用实例是全球道路网拓扑模式分析研究中,从一开始合作者提示注意投影,到后来自己对照组内地图数据和网络电子地图分析特定模式时发现有时很难对应二者的形态特征。近期,在试图将空间分析工具引入机场净空评估而准备课堂案例时,再次感受到了这个投影的显著不足。

跑道地理要素的制作

在航空领域,除了令人眼花缭乱的公制英制单位外,经纬度地理坐标与相对方位加距离的空间位置描述方式也时常混杂在一份文档中。在机场的数据库编码表页面中,可以找到进近航段编码中的飞越点,同时其名称中数字为50的整数倍,推测是跑道入口点,查阅航路点坐标表后展绘在参考底图上可以确认。从不同跑道方向的进近编码中可以获得跑道两个端点的平面地理坐标,进而可以通过导入点、点转线得到表示跑道的地理线要素。当然还可以进一步查阅细则中跑道物理特征表中的入口标高,构造三维点线要素。

量测与对比

得到跑道线要素后,可以在属性表中计算其长度,由于在参考底图默认的EPSG: 3857下,默认计算的是这个坐标系下的平面距离。这个距离算出来与细则中的跑道长度完全是天差地别,令人惊讶。武汉天河两条实际长3400米和3600米的跑道,在球面墨卡托投影坐标系中算得长度3965米和4200米,这是完全不能接受的结果。不过用量测工具的测地线模式可以手动测得基本准确的长度。

武汉天河机场两条跑道在EPSG: 3857投影坐标中的长度与真实测地线长度存在难以接受的误差

启示

这对于航空领域WGS84应用场景中小范围距离计算有巨大的警示作用。在机场管理和资料填报中,经常有以跑道(入口、中心线等)作为参考的相对位置描述。如果在此次经历之前,我肯定会选择在投影坐标系里计算这些相对位置点的平面投影坐标,然后再转换回EPSG: 4326地理坐标,并认为这个计算误差不会很大、可以接受。如果发现偏大,顶多会从EPSG: 3857转为采用3度带的UTM或者GK投影,放弃逃避选择投影带的问题来提高精度,但目前看来这也许还是会有难以接受的误差。所以有空可以实测一下看到底有多大效果提升,或者说球面墨卡托有多离谱。

这次经历还有个令人不安的点在于,如果换成UTM或者GK仍然误差很大,那甚至还需要去查找测地线距离反算地理坐标的公式,这个东西说实话这么多年从来没见过或者想到有用过,如果真的有那就很好了。

近期和机场情报一线交流时了解到,某次重新测绘后,一个一直以来认为对飞行构成影响的障碍物,按新数据评估后变为不影响,令人感到困惑。由于缺少必要的验证细节,对于这个个案我无从判断,但是这种想当然的转换成为了一种可能的解释。