溪流笔谈▏平等地球投影法在联合国大会被推出,世界地图真的要变了?


9月4日报道,联合国大会当天在纽约表决通过决议,鼓励各国和机构在教育、公共传播等场景减少使用沿用近五个世纪的墨卡托投影世界地图,改用更能反映陆地真实相对面积的2018年“平等地球”(Equal Earth)投影。

多哥外交部长罗伯特·杜塞在联合国大会介绍“修正地图”决议草案
墨卡托投影是由荷兰地图学家墨卡托于1569年创立的,墨卡托投影法存在天然缺陷:越靠近南北两极的区域,在地图上面积被放大得越明显;越接近赤道,面积越被压缩,由此形成强烈的视觉错觉。在这类地图上,非洲与格陵兰岛看起来一样大,但实际上非洲的面积是格陵兰岛的14倍。

墨卡托投影法绘制的地图(左)和“平等地球投影法”绘制的地图(右)对比图
“平等地球投影法”由多哥牵头、非盟支持的决议提出,以164票赞成、1票反对、6票弃权的结果获得通过。美国投下了唯一的反对票。美国认为这一决议背后有更深层次的政治意义。报道称,“平等地球投影法”绘制的地图让美国和欧洲在地图上看起来变小了,这引发了美国的不满。美方代表称决议“多余”,推行“意识形态议程”,偏离和平、繁荣与国家间关系等联大正业。美国驻联合国大使迈克·沃尔茨称,此事并非无害的制图更新。
墨卡托投影恒向线为直线,便于航海定向,因而长期成为教材、媒体和许多数字地图的默认底图。代价是纬度越高面积变形越大:在常见世界地图上,格陵兰看起来几乎与非洲一般大,而非洲实际面积约为格陵兰的14倍。平等地球投影2018年发布,属于等面积投影,欧洲、北美在图面上相对缩小,非洲、南美等更接近真实比例。需要说明的是,任何平面地图都无法同时保住角度、面积和形状,该决议也承认不同投影适用于不同用途。
这不是划界或主权争议,而是一场关于“平面上如何呈现地球”的公共标准之争:多数国家选择在认知层面纠正面积失真,美国则拒绝把换图写成联合国政治决议。多哥外长在会上的那句话,值得人们关注:一张公平的地图不会改变世界的地理,它改变的是我们看待世界的方式。
记得早年中科院精密测量科学与技术创新研究院郝晓光研究员在发布“竖版世界地图”时,也说过一句话:换个角度看世界!郝晓光研究员的“竖版世界地图”,打破了传统横版地图“只重东西半球”的局限,把南北半球的地理关系准确、清晰地展现出来。他改为沿纬线“横向切开”,从根本上解决了南极洲和北冰洋的变形问题。

郝晓光研究员的竖版世界地图
墨卡托投影(Mercator,1569)是等角投影,能让方向和角度保持准确,特别适合航海导航。由荷兰地图学家杰拉德·墨卡托为航海设计,于1569年所创设,故又名墨卡托投影。它是等角(正形)投影:保住了角度与形状,图上任何一条直线都对应恒定的罗盘方位(等角航线),水手沿直线即可抵达目的地。代价是面积被牺牲:纬度越高,陆地被放得越大。

墨卡托投影方式
墨卡托投影后经纬线始终垂直相交,任意两点间的方向角度能准确表示,你在图上画直线就能确定方位。航海时的恒向线(等角航线)在墨卡托图上呈现为直线,水手可以直接拉直线规划航线,不用反复修正航向。因此它成为海图和航空图最常用的投影方式,至今仍在航海、航空领域广泛使用。在图上量取方位、标绘航线都非常方便,这也是它诞生后迅速风靡全球的原因。同时,经线和纬线投影后都是平行的直线,且相互垂直,构成规整的矩形网格,便于测量方向、读取经纬度。

平等地球投影法是一种于2018年推出的等积伪圆柱投影法,用于绘制世界地图,其外观与罗宾逊投影法相似,但能保持各大洲面积比例,方程易于实现。平等地球投影的优点包括:一是投影的弯曲侧面暗示地球是球形的;二是平行线可以很容易地比较北方或南方距离赤道的距离;三是经线沿任何纬度线均匀分布;四是实现投影的软件易于编写,执行效率高。由于平等地球投影是等面积的,因此大陆和海洋以彼此的真实大小显示。
墨卡托投影缺点是越靠近南北两极,陆地面积被放大得越严重。所以它只适合保方向的场景,不适合做面积对比。“平等地球投影法”的诞生,主要是为了纠正已广泛使用400多年的“墨卡托投影”法带来的严重面积失真问题。它在设计上参考了视觉感受更舒适的罗宾森投影,在保证面积准确的同时,形状也尽量接近地球仪上的样子。其投影的数学公式相对简单,便于在软件中实现,计算速度也很快。
在采用墨卡托投影的地图上,面积仅约216万平方公里的格陵兰岛,看起来和面积超3000万平方公里的非洲大陆差不多大。实际上,非洲的面积是格陵兰岛的14倍。墨卡托投影地图这种扭曲在视觉上“缩小”了赤道附近的非洲、南美洲等地区,同时“放大”了欧洲、北美等高纬度地区。

当然,平等地球投影法也并非完美,也有不足之处:一是为了保证面积准确,它不得不在形状上做出一些牺牲,尤其是在远离赤道的区域,大陆的形状可能会有轻微变形;二是它无法像墨卡托投影那样用直线表示恒向线(即固定的罗盘方向),角度变形一般较大,因此不适合用于航海导航;三是地图边缘是曲线而非矩形,这可能会让一些习惯传统长方形世界地图的人感到不习惯。

因此,需要特别说明的是:没有任何地图投影是完美的,只有适合特定用途的投影。因为地球是三维球面,而地图是二维平面,把球面完整摊平到平面上在数学上就做不到,所以任何投影都必须做出取舍。这就像把橘子皮完整剥下来铺平,不管怎么弄都会撕裂、拉伸或挤压,没法变成一张完美的平面。
在地图投影里,球面(正曲率)和平面(零曲率)是两种不同曲率的曲面,无法在不发生变形的情况下互相转换,这是高斯曲率定理决定的,任何技术都绕不开。其中的面积、角度、距离这三项里,总有一项会被扭曲,区别只是在于牺牲了哪一项?牺牲了多少?套用一句颇具哲理的话:美不是事物本身自带的属性,只存在于观赏者眼里。
结论是:这个世界没有完美的地图投影,只有适合特定用途的投影!航海就用墨卡托,面积对比就用等积投影,极地科考就用竖版世界地图,各取所需即可。因此投影之争的本质,从来不是“哪种投影更正确”,而是哪种投影更适合哪类场景。
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