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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / 14795 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-11  |  7.4 KB  |  158 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!charon.amdahl.com!pacbell.com!ames!agate!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  3. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  4. Subject: Re: Mercator Projection
  5. Message-ID: <1992Nov11.231638.2839@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  7. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  8. References: <a34uTB4w165w@netlink.cts.com> <israel.721212129@unixg.ubc.ca> <1992Nov8.214329.27209@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  9. Date: Wed, 11 Nov 1992 23:16:38 GMT
  10. Lines: 146
  11.  
  12. In article <1992Nov8.214329.27209@CSD-NewsHost.Stanford.EDU> pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt) writes:
  13. >So with the goal being to patch the EB definition:
  14. >
  15. >1.  What is the weakest condition required in addition to conformality
  16. >to uniquely determine the Mercator projection up to dilatation?
  17. >
  18. >2.  What other natural definitions exist for the Mercator projection?
  19. >
  20. >The EB should use the best definition.
  21.  
  22. The responses having slowed down, its about the right time for a
  23. summary.
  24.  
  25. The best answer to 1 seems to be, nothing else once you've specified
  26. that the projection omits the poles and is onto a cylinder (I hadn't
  27. realized the cylinder requirement would rule out my z^2
  28. counterexample).  The condition that the meridians be vertical is
  29. equivalent to this in the presence of conformality, but is strictly
  30. stronger in its absence, preventing helical meridians for example.  For
  31. 2 there is the above; rhumb lines mapped to straight lines of the
  32. corresponding slope; and Robert Israel's balloon model (I finally
  33. convinced myself of its correctness, proof below).
  34.  
  35. Thanks very much to
  36.  
  37. John Baez       jbaez@riesz.mit.edu        cylindrical requirement
  38. Kenneth Freeman kfree@netlink.cts.com        for starting this
  39. John Harper     John.Harper@vuw.ac.nz        vertical meridians
  40. Robert Israel   israel@math.ubc.ca        all 3 answers
  41. Alan Paeth      awpaeth@watpix.uwaterloo.ca    much info: taylor(gd(y)) etc.
  42. Ruth Radetsky   vpmath1@sfsuvax1.sfsu.edu    cylindrical requirement
  43. Dennis Ritchie  dmr@research.att.com        Doug McIlroy's C function
  44.  
  45. The responses combine nicely to give the following articles, written
  46. with both technical and nontechnical readers in mind and thus
  47. complementing Alan Paeth's straight technical writeup.  The first
  48. corrects the misleading Encyclopedia Britannica article without
  49. lengthening it, the second is longer, with no particular application in
  50. mind.
  51.  
  52. ================
  53. 1986 article:
  54.  
  55. Mercator projection, type of map projection develop by Gerardus
  56. Mercator.  Projections are made from the centre of a globe representing
  57. the Earth onto a cylinder surrounding and touching the globe it [sic]
  58. at the Equator; thus, the meridians are equally spaced, parallel
  59. vertical lines, and the parallels of latitude are parallel, horizontal
  60. straight lines, spaced farther and farther apart as their distance from
  61. the Equator increases.
  62.  
  63. ================
  64. Suggested revision:
  65.  
  66. Mercator projection, type of map projection develop by Gerardus
  67. Mercator.  It is that projection of the globe onto the plane taking
  68. lines of constant bearing to straight lines of that slope, useful in
  69. navigation.  Or, that projection of the globe less its poles onto a
  70. cylinder preserving small shapes: islands appear as seen from the air.
  71. Scale increases as 1/cosine(latitude), distorting larger shapes and
  72. magnifying Greenland tenfold.
  73.  
  74. ================
  75. Longer article:
  76.  
  77. The Mercator projection is one of a number of projections of a sphere
  78. such as the Earth onto a cylinder, which can then be cut and unrolled
  79. to form a map.  Developed by the Flemish cartographer Gerardus Mercator
  80. in 1569 as an aid to navigation, it has two essential properties.  A
  81. straight line on the map represents a *rhumb line* on the globe, a
  82. course whose bearing is constant and equal to the slope of the line.
  83. And the shape of small regions is depicted faithfully.
  84.  
  85. The first property permits navigators to plot a course between two
  86. points on the map by connecting them with a straight line, measuring
  87. its slope, and setting a course whose bearing with respect to true
  88. North is that slope.  A drawback is that the shortest distance between
  89. two points on the sphere is not a rhumb line but a great circle or
  90. geodesic, which the Mercator projection renders as a curve attracted to
  91. the nearer pole.  Voyages navigated by rhumb line can be usefully
  92. shortened by breaking them into several rhumb lines connecting points
  93. on a great circle.  Today's navigation equipment makes light work of
  94. exact great circle navigation.
  95.  
  96. The second property ensures that regions up to a few hundred miles
  97. across appear essentially as they would from a satellite overhead.  The
  98. shape of larger regions however is distorted due to an increase in
  99. scale at higher latitudes, in proportion to sec(L), the secant or
  100. reciprocal cosine of the latitude.  This distortion gives Greenland's
  101. 0.84 million square miles a greater apparent area than South America at
  102. 6.8 million square miles.
  103.  
  104. The Mercator projection is the only projection of the sphere less two
  105. antipodal points onto a cylinder having either of these properties.  It
  106. does not however project the sphere radially outwards onto a cylinder
  107. tangent to the equator, as occasionally asserted.  This latter
  108. projection scales nonuniformly, with the vertical scale increasing as
  109. the square of the horizontal scale.  Such a map of the earth would
  110. elongate Greenland to four times its Mercator height without changing
  111. its width, and a course plotted as a straight line on this map would be
  112. both hard to navigate and longer than a rhumb line.
  113.  
  114. Latitude L on the Mercator projection appears at vertical position
  115. ln(tan(L/2+pi/4)) on the map, the integral of the scaling function
  116. sec(L).  Its inverse, giving latitude from vertical position on the
  117. map, is called the gudermannian function.
  118.  
  119. A spherical balloon blown up inside a glass tube of diameter that of
  120. the barely inflated balloon will press itself to the sides in exact
  121. accordance with the Mercator projection, until the hemispheres at each
  122. end are stretched to their limit.
  123.  
  124. ======================
  125. In article <israel.721352141> israel@unixg.ubc.ca (Robert B. Israel) writes:
  126. >A physical model: blow up a spherical balloon inside a cylinder, and have
  127. >it stick to the walls of the cylinder when it touches them.
  128.  
  129. In article <1992Nov9> pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt) writes
  130. >I bet that turns out not to be conformal.  The poor thing's already
  131. >doing its best to stretch horizontally and you're asking it to stretch
  132. >the same amount vertically as well!  Not a chance.
  133.  
  134. I was able to contradict myself with the following proof.  At any point
  135. the upper portion of the balloon not touching the cylinder must form a
  136. hemisphere with equator a circle in the same state as the undistorted
  137. balloon at that pressure.  (A C1 discontinuity in the balloon shape at
  138. this circle would require a corresonding pressure discontinuity to
  139. maintain it.)  The whole hemisphere having been scaled conformally, the
  140. next increment to stick to the wall will do so conformally.
  141.  
  142. ======================
  143. Dennis Ritchie contributed the following extract from Doug McIlroy's map
  144. program.  struct {float l,s;} pairs angle l in radians with its sine s.
  145. The formula is yet another of the inverse gudermannian's many disguises.
  146. RAD = M_PI/180.
  147.  
  148. mercator(struct place *place, float *x, float *y)
  149. {
  150.         if(fabs(place->nlat.l) > 80.*RAD)
  151.                 return(-1);
  152.         *x = -place->wlon.l;
  153.         *y = 0.5*log((1+place->nlat.s)/(1-place->nlat.s));
  154.         return(1);
  155. }
  156. -- 
  157. Vaughan Pratt
  158.