При движении судна постоянным истинным курсом линия курса пересекает каждый меридиан под одним и тем же углом и на земной поверхности эта линия получается двоякой кривизны, называемая локсодромией (что в переводе с греческого означает «косой бег»).

Плавание по локсодромии удобно, так как курс судна остается постоянным, а это упрощает все расчеты, связанные с прокладкой. Основные свойства локсодромии, проходящей через две точки, можно выявить из ее уравнения:

Из этого уравнения следует, что при К = 0° или К = 180° tg К = 0, тогда и λ2 - λ1 = 0, следовательно, на истинных курсах 0 или 180° долгота точек не изменяется и локсодромия совпадает с меридианом, превращаясь в дугу большого круга, и в данном случае проходит через земные полюса.

Если уравнение написать в виде

и принять К - 90° или К = 270°, то при этих значениях tg К = ~. Так как разность долгот λ2 - λ1 находящаяся в числителе, не может быть равна бесконечности, то должен быть равен нулю знаменатель, а он может быть равен нулю при 45° + φ1/2 = 45°+ φ2/2 т. е. когда φ1 = φ2.

Рис. 36

Следовательно, при К = = 90° или К = 270° широта точек не изменяется и локсодромия совпадает с параллелью или при φ2 = φ1 = = 0 - с экватором.

Для всех истинных курсов, отличных от 0 - 180° и 90 - 270°, локсодромия по спирали приближается к одному из полюсов, но никогда его не достигает (рис. 36).

Длина отрезка локсодромии, пройденного судном на данном курсе, не является кратчайшим расстоянием на земной поверхности. Кратчайшим расстоянием на земной поверхности при переходе судна из одной точки до другой будет дуга большого круга, называемая ортодромией (что в переводе с греческого означает «прямой бег»).

Ортодромия с каждым меридианом составляет переменные углы. Поэтому плавание по ортодромии требует предварительного вычисления как ее положения, так и курсов, которыми ведут судно по дуге большого круга (см. § 46).

Требования, предъявляемые к морским навигационным картам

При выборе проекции для построения той или иной карты всегда исходят из требований обеспечения решения задач, для которых она предназначается.

Картографическая проекция морских навигационных карт должна быть наиболее удобной для их использования в море, т. е. для решения основных задач по обеспечению безопасности судовождения наиболее простыми способами и приемами.

Исходя из этого, картографическая проекция морских навигационных карт должна удовлетворять следующим требованиям. Чтобы: линия пути судна, идущего постоянным курсом, т. е. локсодромия, изображалась прямой линией;

Величина углов, измеряемых с судна между разными ориентирами на местности, соответствовала величинам углов между теми же ориентирами на карте, т. е. проекция карты должна быть равноугольной; масштаб в пределах карты изменялся в возможно малых пределах т. е. искажения длин на карте не превышали ошибок графических построений и измерений на карте, выполняемых с помощью прокладочного инструмента.

Удовлетворяющие этим требованиям карты построены по проекции, предложенной в 1569 г. голландским картографэм Герардом Кремером, известным под именем Меркатора, поэтому эта проекция называется меркаторской. Меркаторская проекция является равноугольной цилиндрической проекцией, на ней земные меридианы и параллели изображаются прямыми, взаимно перпендикулярными линиями, а локсодромия - прямой, составляющей с меридианами один и тот же угол.

Математическое обоснование принципа меркаторской проекции

Представим, что изображение Земли выполнено в виде глобуса (рис. 37), меридианы на нем сделаны из стальных упругих проволок, закрепленных у полюсов, а параллели - из растягивающегося материала, скрепленные с меридианами.

Рис. 37

Меридианы и параллели окрасим краской и освободим крепления проволочных меридианов у полюсов. Тогда меридианы выпрямятся, а параллели растянутся и на внутренней поверхности цилиндра как бы отпечатаются. Теперь разрежем цилиндр по образующей (по одному из меридианов); на нем будет нанесена прямоугольная сетка (следы параллелей и меридианов), в которой длина меридианов осталась неизменной, а каждая параллель растянулась до длины экватора. При этом параллель, близкая к экватору, растянется меньше, а с увеличением широты растяжение параллелей увеличивается все значительнее. Остров К круглой формы, который был на глобусе, на развернутой плоскости цилиндра спроектируется в виде овала. Для сохранения подобия изображения на глобусе и проекции его на плоскости необходимо соответственно вытянуть по длине и меридианы.

Для доказательства этого положения рассмотрим рис. 38, где обозначим радиус параллели пп через r, широту этой параллели cp, радиус глобуса R.

Рис. 38

Из треугольника пОе, в котором сторона Ое = r, получим r = R - cos φ, a R = r * 1/cos φ или R = r - sec φ. Умножив обе части равенства на 2я, получим 2ПR = 2Пtr*sec φ.

Следовательно, каждая параллель на карте цилиндрической проекции растягивается на величину, пропорциональную секансу своей широты. Поэтому для сохранения подобия фигур на карте фигурам на местности отрезки меридианов необходимо растянуть пропорционально sec φ, чем будет достигнута равноугольность проекции.

Меридиональные части

Расстояния по меридиану от экватора до данных параллелей на меркаторской карте, выраженные в линейных единицах, называются меридиональными частями. Они обозначаются буквой D.

Для удобства меридиональные части выражают длиной дуги экватора в I, называемой экваториальной милей.

В табл. 26 (МТ-63) длина меридиональных частей рассчитана применительно к эллипсоиду Красовского.

Значения в таблице вычислены для широт от 0 до 89° 59" через 1" широты с точностью до 0,1 экваториальной мили. Для определения величины меридиональных частей на промежуточных значениях минуты широты (для десятых долей 1") применяют простое интерполирование.

Пример. Найти меридиональную часть для параллели 50° 18",5.

Решение. По табл. 26 (МТ-6.3) находим:

Расстояние по меридиану на меркаторской проекции между двумя параллелями, выраженное в экваториальных милях, называется разностью меридиональных частей (РМЧ) и обозначается AD.

Разность меридиональных частей двух параллелей равна алгебраической разности меридиональных частей этих параллелей

Пример. Определить разность меридиональных частей параллелей cp1 = 63°40" N и cp2 = 66°20" N.

Решение. По табл. 26 (МТ-63) находим:

Пример. Определить разность меридиональных частей параллелей cp1 = 5°12" N и cp2 = 3°28, 5.

Решение. По табл. 2 6 (МТ-63) имеем:

Меридиональные части используют при построении картографической сетки морских карт в меркаторской проекции, а разность меридиональных частей входит в одну из основных формул письменного счисления (см. гл. VII) .

Разность меридиональных частей двух параллелей, отстоящих друг от друга на 1", даст нам длину отрезка, изображающего на карте меркаторской проекции одну экваториальную минуту в данной широте. Эта разность меридиональных частей представляет не что иное, как изображение одной морской мили на карте меркаторской проекции. Меркаторской милей пользуются как единицей линейного масштаба для измерения широт и расстояний на карте меркаторской проекции.

Поскольку морская миля, как это было указано ранее, имеет постоянную величину на поверхности Земли, то она на морской карте меркаторской проекции изображается отрезками различной длины, в зависимости от широты места, к которому она относится.

Решение. 1) Выбираем меридиональные части для широт 39°30" и 40°30" по табл. 26 (МТ-63) :

Отсюда меркаторская миля в широте 40° равна 78,0/60 = 1,3 экв. мили.

2) выбираем меридиональные части для широт 69°30" и 70°30":

Следовательно, в cp = 70° меркаторекая миля равна 175,4/60 = 2,923 экв. мили. Из этого примера видно, что отношение длины меркаторской мили в cp = 70° к длине ее cp = 40° равно 2,923/1,3 = 2,248, т. е. меркаторская миля в ср = 70° изображается отрезком, в 2,248 раза большим, чем в cp = 40°.

Поэтому при измерении по морской навигационной карте расстояний между какими-либо точками необходимо расстояния в одну милю или в несколько миль брать всегда с боковой рамки карты в той же самой широте, в какой расположены точки. Практически для измерения расстояний на карте меркаторской проекции пользуются длиной меркаторской мили, соответствующей средней широте измеряемой линии.

Главный и частный масштабы карт меркаторской проекции

Главным масштабом на меркаторской карте называется масштаб, отнесенный к экватору (если проекция построена на поверхности касательного к нему цилиндра) или к параллели сечения, называемой главной параллелью (если проекция построена на поверхности секущего цилиндра).

Частный масштаб в меркаторской проекции постоянен по всем направлениям не только в данной точке, но и во всех точках, принадлежащих одной и той же параллели.

За пределами экватора или главной параллели, численное значение частного масштаба будет отличаться от главного масштаба, изменяясь все более по мере удаления к северу или югу от экватора или главной параллели.

Если проекция построена на поверхности касательного цилиндра, то на экваторе увеличение масштаба с = 1, а поскольку каждая параллель равна экватору (растянута в sec φ раз), то на каждой параллели с = sec φ.

Например, в широте 30° увеличение масштаба будет в 1,5 раза, в широте 60° - в 2 раза, а в широте 80° - в 5,75 раза.

При построении проекции на поверхности секущего цилиндра на главной (секущей) параллели увеличение масштаба с = 1.

В такой проекции все параллели становятся равными главной, и при этом все параллели, находящиеся ближе к полюсу, чем главная, растягиваются во столько раз, во сколько секанс широты данной параллели sec φ больше секанса широты главной параллели sес cpг.п. Следовательно, на этих параллелях увеличение масштаба с>1 . Параллели, расположенные к экватору, сокращаются во столько раз, во сколько sec φ ГП. больше sec φ, и, следовательно, с
Так как увеличение масштаба - отношение частного масштаба к главному c = μ/μ0 то частный масштаб μ = cμ0. Если х заменить отношением 1/C (С - знаменатель частного масштаба), а главный масштаб μ0 выразить через 1/C0 где С0 - знаменатель главного масштаба, то знаменатель частного масштаба

штаба для точек каждой параллели при построении проекции на поверхность касательного цилиндра определится из выражения С =
а при построении на поверхность секущего цилиндра С=

Морские карты, как правило, охватывают незначительные участки земной поверхности, поэтому в пределах карты величины главного и частных масштабов мало отличаются друг от друга. По главному масштабу, указанному в заголовке карты, судоводитель выбирает карты для решения тех или иных задач.

Предельная точность масштаба

От масштабов карт и планов зависит точность, с которой на них можно производить линейные измерения.

Линейное расстояние на местности, соответствующее 0,2 мм на карте или плане, называется предельной точностью масштаба. Величина 0,2 мм принята потому, что она приблизительно равна диаметру углубления, получаемого на карте при уколе иглой циркуля, и соответствует минимальной величине, различаемой невооруженным глазом. Величина предельной точности масштаба зависит от масштаба карты. Так, если масштаб карты 1/100000 то эта величина будет 20 м.

Следовательно, линия, проведенная на карте такого масштаба остроотточенным карандашом, будет соответствовать на местности полосе шириной 20 м и на этой карте мы не сможем различить расстояний меньше 20 м.

Вперед
Оглавление
Назад

Проекции в картографии

С давних пор путешественники и мореплаватели занимались составлением карт, изображая в виде рисунков и схем изученные территории. Исторические исследования показывают, что картография появилась в первобытном обществе еще до появления письменности. В современную эпоху благодаря развитию средств передачи и обработки данных, таких как компьютеры, интернет, спутниковая и мобильная связь, важнейшей составляющей информационных ресурсов остается геоинформация, т.е. данные о положении и координатах различных объектов в окружающем нас географическом пространстве.

Современные карты составляются в электронном виде с использованием аппаратов дистанционного зондирования Земли, спутниковой глобальной системы позиционирования (GPS либо ГЛОНАСС) и т. д. Однако сущность картографии остается прежней - это изображение объектов на карте, позволяющее однозначно идентифицировать их, определив положение при помощи привязки к той или иной системе географических координат. Неудивительно поэтому, что одной из основных и самых распространенных сегодня картографических проекций является равноугольная цилиндрическая проекция Меркатора, впервые примененная для создания карт четыре с половиной века назад

Работа древних землемеров не выходила за пределы геодезических измерений и расчетов для расстановки вех вдоль маршрута будущей дороги или обозначения границ земельных участков. Но посте­пенно накапливалось множество данных – расстояния между городами, препятствия на пути, расположение водных объектов, лесных массивов, особенности ландшафта, границы государств и материков. Карты захватывали все большие территории, становились более детальными, но при этом возрастала и их погрешность.

Поскольку Земля представляет собой геоид (фигуру, близкую к эллипсоиду), для изображения поверхности геоида Земли на карте необходимо развернуть, спроецировать эту поверхность на плоскость тем или иным способом. Методы отображения геоида на плоской карте называются картографическими проекциями. Существует несколько видов проекций, и каждая из них вносит в плоское изображение свои искажения длин, углов, площадей или формы фигур.

Как сделать точную карту?

Полностью избежать искажений при построении карты невозможно. Однако можно избавиться от какого-либо одного типа искажений. Так называемые равновеликие проекции сохраняют площади, но при этом искажают углы и формы. Равновеликими проекциями удобно пользоваться в экономических, почвенных и других мелкомасштабных тематических картах – для того, чтобы с их помощью рассчитывать, например, площади территорий, подвергшихся загрязнению, или управлять лесными хозяйствами. Примером такой проекции служит равновеликая коническая проекция Альберса , разработанная в 1805 г. немецким картографом Хейнрихом Альберсом.

Равноугольные проекции - это проекции без искажений углов. Такие проекции удобны для решения навигационных задач. Угол на местности всегда равен углу на такой карте, а прямая линия на местности изображается прямой линией на карте. Это позволяет мореплавателям и путешественникам прокладывать маршрут и точно следовать ему с помощью показаний компаса. Однако линейный масштаб карты при такой проекции зависит от положения точки на ней.

Самой древней равноугольной проекцией считается стереографическая проекция, которая была придумана Аполлонием Пергским около 200 г. до нашей эры. Эта проекция и по сей день используется для карт звезд­ного неба, в фотографии – для отображения сфериче­ских панорам, в кристаллографии – для изображения точечных групп симметрии кристаллов. Но использование этой проекции в мореплавании было бы затруднительным в силу слишком больших линейных искажений.

Проекция Меркатора

В 1569 г. фламандский географ Герхард Меркатор (латинизированное имя Герарда Кремера) разработал и впервые применил в своем атласе (полное название «Атлас, или Космографические рассуждения о сотворении мира и вид сотворенного») равноугольную цилиндрическую проекцию , названную впоследствии его именем и ставшую одной из основных и самых распространенных картографических проекций.

Для построения цилиндрической проекции Меркатора земной геоид помещают внутри цилиндра так, чтобы геоид касался цилиндра по экватору. Проекцию получают, проводя лучи из центра геоида до пересечения с поверхностью цилиндра. Если после этого цилиндр разрезать вдоль оси и развернуть, то получится плоская карта поверхности Земли. Образно это можно представить следующим образом: глобус оборачивается листом бумаги по экватору, в центр глобуса помещается лампа и на листе бумаги отображаются спроецированные лампой изображения материков, островов, рек и т. п. Если бы на бумагу был нанесен способный засвечиваться слой, то, развернув лист, мы получили бы готовую карту.

Полюса в такой проекции расположены на бесконечном расстоянии от экватора, и, следовательно, не могут быть изображены на карте. На практике карта имеет верхний и нижний пределы широт – примерно до 80° СШ и ЮШ.

Параллели и меридианы картографической сетки изображаются на карте параллельными прямыми линиями, при этом они всегда перпендикулярны. Расстояния между меридианами одинаковы, а вот расстояние между параллелями равно расстоянию между меридианами вблизи экватора, но быстро увеличивается при приближении к полюсам.

Масштаб в этой проекции не является постоянным, он увеличивается от экватора к полюсам как обратный косинус широты, но масштабы по вертикали и по горизонтали всегда равны.

Равенство вертикального и горизонтального масштабов обеспечивает равноугольность проекции – угол между двумя линиями на местности равен углу между изображением этих линий на карте. Благодаря этому хорошо отображается форма небольших объектов. Но искажения площади увеличиваются по направлению к полярным регионам. Например, несмотря на то, что Гренландия составляет всего одну восьмую размера Южной Америки, в проекции Меркатора она представляется больше. Большие искажения площадей делают проекцию Меркатора непригодной для общегеографических карт мира.

Линия, проведенная между двумя точками на карте в этой проекции, пересекает меридианы под одним и тем же углом. Эта линия называется румбом или локсо­дромией . Надо отметить, что эта линия не описывает кратчайшее расстояние между точками, но в проекции Меркатора всегда изображается прямой линией. Этот факт делает проекцию идеальной для нужд навигации. Если мореплаватель желает отправиться, например, из Испании в Вест-Индию, все, что ему нужно сделать, это провести линию между двумя точками, и штурман будет знать, какого направления по компасу постоянно придерживаться, чтобы приплыть к месту назначения.

С точностью до сантиметра

Для применения проекции Меркатора (как, впрочем, и любой другой) необходимо определить систему координат на земной поверхности и корректно выбрать так называемый референц-эллипсоид – эллипсоид вращения, приближенно описывающий форму поверхности Земли (геоида). Для местных карт в России в качестве такого референц-эллипсоида с 1946 г. используется эллипсоид Красовского. В большинстве европейских стран вместо него используется эллипсоид Бесселя. Самым популярным в наши дни эллипсоидом, предназначенным для составления общемировых карт, является мировая геодезическая система 1984 г. WGS-84. Она определяет трехмерную систему координат для позиционирования на земной поверхности относительно центра масс Земли, погрешность составляет менее 2 см. Классическая равноугольная цилиндрическая проекция Меркатора применяется к соответствующему эллипсоиду. Так, например, сервис Яндекс.Карты использует эллиптическую WGS-84 проекцию Меркатора.

В последнее время в связи со стремительным развитием картографических веб-сервисов большое распространение получил другой вариант проекции Меркатора – на базе сферы, а не эллипсоида. Этот выбор обусловлен более простыми расчетами, которые могут быть быстро выполнены клиентами этих сервисов прямо в браузере. Часто эту проекцию называют «сфериче­ским Меркатором» . Такой вариант проекции Меркатора используется сервисами Google Maps , а также 2ГИС .

Еще одним известным вариантом проекции Меркатора является равно­угольная проекция Гаусса-Крюгера . Она была введена выдающимся немецким ученым Карлом Фридрихом Гауссом в 1820-1830 гг. для картографирования Германии – так называемой ганноверской триангуляции . В 1912 и 1919 гг. ее развил немецкий геодезист Л. Крюгер.

По сути, она является поперечной цилиндрической проекцией. Поверхность земного эллипсоида делится на трех- или шестиградусные зоны, ограниченные меридианами от полюса до полюса. Цилиндр касается среднего меридиана зоны, и она проецируется на этот цилиндр. Всего можно выделить 60 шестиградусных или 120 трехградусных зон.

В России для топографических карт масштаба 1: 1000000 применяют шестиградусные зоны. Для топографических планов масштаба 1: 5000 и 1:2000 применяются трехградусные зоны, осевые меридианы которых совпадают с осевыми и граничными меридианами шестиградусных зон. При съемках городов и территорий под строительство крупных инженерных сооружений могут быть использованы частные зоны с осевым меридианом посередине объекта.

Многомерная карта

Современные информационные технологии позволяют не просто нанести контуры объекта на карту, но и менять его вид в зависимости от масштаба, связать с его географическим положением множество других атрибутов, таких как адрес, информация о расположенных в данном здании организациях, количество этажей и т. п., делая электронную карту многомерной, разномасштабной, интегрируя в ней одновременно несколько справочных баз данных. Для обработки этого массива информации и представления его в удобном для пользователя виде необходимы достаточно сложные программные продукты, так называемые геоинформационные системы , разработку и поддержку которых могут осуществить лишь достаточно крупные, обладающие необходимым опытом IT-компании. Но, несмотря на то, что современные электронные карты мало похожи на своих бумажных предшественников, все равно в их основе лежат картография и тот или иной способ отображения земной поверхности на плоскость.

Для иллюстрации методов современной картографии можно рассмотреть опыт работы компании «Дата Ист» (Новосибирск), занимающейся разработкой программного обеспечения в области геоинформационных технологий.

Проекция, которая выбирается для построения электронной карты, зависит от назначения карты. Для карт общего пользования и для навигационных карт, как правило, применяется проекция Меркатора с системой координат WGS-84. Например, эта система координат использовалась в проекте «Мобильный Новосибирск» , созданном по заказу мэрии города Новосибирска для городского муниципального портала .

Для крупномасштабных карт с целью минимизации линейных искажений используются как зональные равноугольные проекции (Гаусса-Крюгера), так и неравноугольные проекции (например, коническая равно­промежуточная проекция – Equidistant conic ).

Сегодня карты создаются с широким привлечением аэрофотосъемки и спутниковых фотографий. Для качественной работы над картами в компании «Дата Ист» создан архив космических снимков, охватывающих территории Новосибирской, Кемеровской, Томской, Омской областей, Алтайского края, Республик Алтай и Хакасия, других регионов России. С помощью этого архива, кроме крупномасштабных карт территории, можно изготавливать схемы отдельных объектов и участ­ков под заказ. При этом в зависимости от территории и необходимого масштаба применяется та или иная проекция.

Со времен Меркатора картография изменилась радикально. Информационная революция затронула эту область человеческой деятельности, наверное, больше всех. Вместо томов бумажных карт теперь каждому путешественнику, туристу, водителю доступны компактные электронные навигаторы, содержащие в себе массу полезной информации о географических объектах.

Но суть карт осталась той же – показать нам в удобном и ясном виде, с указанием точных географических координат, расположение объектов окружающего нас мира.

Литература

ГОСТ Р 50828-95. Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования. М., 1995.

Капралов Е. Г. и др. Основы геоинформатики: в 2 кн. / Учеб. пособие для студ. вузов / Под ред. Тикунова В. С. М.: Академия, 2004. 352, 480 c.

Жалковский Е. А. и др. Цифровая картография и геоинформатика / Краткий терминологический словарь. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999. 46 с.

Баранов Ю. Б. и др. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-Ассоциация, 1999.

ДеМерс Н. Н. Географические информационные системы. Основы.: Пер. с англ. М.: Дата+, 1999.

Карты любезно предоставлены ООО «Дата Ист» (г. Новосибирск)

При решении задач навигации возникает необходимость отображения на морской карте линии курса корабля (локсодромии), измерения и прокладки углом и направлений. Исходя из указанных задач, к картографической проекции морской карты предъявляются следующие требования:

Локсодромия на карте должна изображаться прямой линией;
- углы, измеренные на местности, должны быть равны соответствующим углам, проложенным на карте, т. е. проекция должна быть равноугольной.

Указанным требованиям удовлетворяет прямая равноугольная цилиндрическая проекция, разработанная в 1569 году голландским картографом Герардом Кремером (Меркатором).

1. Земля принимается за шар и рассматривается условный глобус, масштаб которого равен главному масштабу.
2. Координатные линии (меридианы и параллели) проецируются на цилиндр.
3. Ось цилиндра совпадает с осью условного глобуса.
4. Цилиндр касается условного глобуса по линии экватора.
5. Меридианы и параллели условного глобуса проецируются на поверхность цилиндра таким образом, чтобы их проекции оставались в плоскотях меридианов и параллелей.
6. После разрезания цилиндра по образующей и разворачивания в плоскость образуется картографическая сетка - взаимноперпендикулярные прямые линии: меридианы и параллели.

7. Цилиндр касается условного глобуса по экватору, поэтому круг Ao1 на экваторе на карте изображается кругом A1.
8. При проецировании параллелей происходит их растяжение, причем чем параллель дальше отстоит от экватора (больше географическая широта) тем растяжение больше: круги Ао2 и Ао3 на карте изображаются эллипсами А2, А3, т. е. полученная проекция не равноугольная.
9. Чтобы эллипсы А2 и Аз превратились в круги А2" А3" неооходимо меридиан в каждой точке вытянуть пропорционально растяжению параллели в данной точке.
Чем больше широта, тем больше растянута параллель, а следовательно, тем больше должен быть вытянут меридиан
10. В результате одинаковые круги на глобусе, расположенные на разных параллелях, на карте изобразятся кругами разных размеров, увеличивающихся с географической широтой.

Графическое изображение на карте одной минуты дуги меридиана (морская миля) увеличивается с географической широтой.

Следовательно, при измерении и прокладке расстояний необхо-димо использовать ту часть линейного масштаба карты, в широте которого осуществляется плавание корабля.

Полученная таким образом проекция является:
- прямой - ось цилиндра совпадает с осью вращения Земли;
- равноугольной - элементарный круг на земной поверхности изображается на карте кругом (сохраняется подобие фигур);
- цилиндрической - картографическая сетка (меридианы и параллели)представляет собой взаимно перпендикулярные прямые линии.

Уравнение проекции для шара имеет вид:

X = R ln tg (45" + φ/2); y = R λ;

При получении проекции главный масштаб соответствовал главному масштабу условного глобуса, т е. при проецировании на цилиндр искажения отсутствовали на линии, по которой цилиндр касался глобуса - на экваторе.

При изготовлении карт в данной проекции это оказалось недостаточно удобным. Поэтому для каждой широтной зоны выбрали линию проекции, на которой отсутствуют искажения - главную параллель. Параллель, на которой масштаб равен главному масштабу, называется главной параллелью. Широта главной параллели данной карты указывается в заголовке карты.

Проекция Меркатора

Равноугольная цилиндрическая проекция впервые была предложена и применена в 1569 году голландским картографом Меркатором.

Для вывода формул этой проекции определим сначала масштаб по параллелям в простейшей из цилиндрических проекций в так называемой квадратной проекции. В этой проекции меридианы и параллели, проведенные через одинаковое число градусов по долготе и широте, образуют на карте сетку квадратов, причем сохраняются длины по всем меридианам и экватору (проекция равнопромежуточная).

Пусть PC0A0 и PD0B0 (рис. 1) -меридианы на глобусе радиуса R с бесконечно малой разностью долгот, а прямые

Рис. 1. Два меридиана и две параллели на глобусе и на карте в цилиндрической проекции

СА и DB - соответствующие меридианы на карте в квадратной проекции.

Тогда бесконечно малому отрезку С0D0 произвольной параллели с широтой и радиусом r на глобусе будет соответствовать на карте бесконечно малый отрезок CD, и масштаб по параллели

CD = AB = A 0 B 0 ,

Где A0B0 - дуга экватора.

Так как отношение дуг окружностей равно отношению их радиусов, то

Из ОС 0С" , где ОС 0С" = Имеем

Следовательно,

Из формулы видно, что масштаб по параллели в квадратной проекции изменяется от единицы до бесконечности, причем единице он равен на экваторе (при = 0°), а бесконечности-в точке полюса (при = 90°). Полюс в квадратной проекции изобразится отрезком прямой, равным по длине экватору.

Теперь, чтобы сделать масштаб по меридианам равным масштабу по параллелям (m=n), т. е. чтобы перейти от квадратной проекции к равноугольной (от эллипсов искажений к кругам), необходимо меридианы квадратной проекции растянуть в каждой точке во столько раз, во сколько раз параллели этой проекции увеличены по отношению к соответствующим параллелям глобуса, т. е. в Раз. Следовательно, для превращения в первом приближении квадратной картографической сетки в картографическую сетку равноугольной проекции необходимо отрезки меридиана ОА, АВ, ВС и т. д. (рис. 2) соответственно умножить

Рис. 2. Превращение квадратной проекции в равноугольную цилиндрическую

на 1, 2, 3 и т. д., где 1,2, 3 - соответственно широты середин этих отрезков. Тогда меридианный отрезок ОС1 в равноугольной проекции, соответствующий отрезку ОС в квадратной проекции, представится выражением

ОС1 = О A 1 + A 1 В1, + В1С1 = О A 1 + AB 2 + BC 3 ,

А так как отрезки

ОА = АВ = ВС ,

ОС 1 =ОА (1 +2 +3).

Меридианный отрезок ОС 1 будет определен тем точнее, чем меньшими будут взяты составляющие его отрезки, поскольку растяжение меридианов должно носить непрерывный характер от экватора до данной параллели.

Наиболее точный результат будет получен тогда, когда меридианный отрезок D в проекции Меркатора будет состоять из суммы бесконечно большого количества бесконечно малых величин

,

Где Dx - бесконечно малый отрезок меридиана в квадратной проекции,

DD - соответствующий ему бесконечно малый отрезок меридиана в равноугольной проекции Меркатора. Но ввиду постоянства масштаба по меридианам в квадратной проекции отрезок

Сумму же бесконечно малых величин в высшей математике называют интегралом. Взять интеграл от обеих частей равенства это значит взять сумму бесконечно малых величин этих частей равенства в определенных пределах.

Интеграл от выражения в пределах значения широты от 0 до Напишем так

В результате интегрирования в левой части равенства получим меридианный отрезок D; правая же часть равенства представляет собой табличный интеграл, равный

Таким образом, меридианный отрезок

,

где С-постоянная интеграции.

Величина, С должна быть постоянной при всех значениях широты, поэтому ее легко определить, взяв = 0°. При = 0° параллель соответствует экватору, для которого D = 0, т. е.

Следовательно,

Переходя от натурального логарифма к десятичному и выражая D в главном масштабе карты и в сантиметрах, будем иметь окончательную рабочую формулу для вычисления меридианного отрезка D в равноугольной цилиндрической проекции для шара

(29)

Где Mod =0,4343.

Формула показывает, что меридианный отрезок D для полюса ( = 90°) равен бесконечности, т. е. полюс на карте в этой проекции не изобразится.

Принимая же Землю за эллипсоид, будем иметь формулу

(30)

Где а - радиус экватора земного эллипсоида (выражен в метрах),

U - та же величина, что и в формуле (22) равноугольной конической проекции.

Расстояния между меридианами в равноугольной проекции, как и в квадратной проекции, определяются по формуле

Где выражено в радианной мере. Принимая Землю за эллипсоид и выражая в главном масштабе карты и в сантиметрах, будем иметь

Часто эта формула пишется в виде

(31)

Где У - расстояние от среднего меридиана карты до определяемого,

°-разность долгот среднего и определяемого меридианов, выраженная в градусах, °=57°,3.

Очевидно, что искажения в равноугольной цилиндрической проекции на касательном цилиндре будут выражаться формулами

(32)

Для вычисления меридианных отрезков D, ординат у и масштабов в равноугольной цилиндрической проекции на секущем цилиндре рабочие формулы будут иметь вид

(34)

(35)

(37)

Где r0- радиус параллели сечения с широтой 0 на земном эллипсоиде,

r-радиус параллели с широтой на земном эллипсоиде, по которой определяется масштаб,

Главный масштаб карты,

°- разность долгот среднего и определяемого меридианов, выраженная в градусах.

Картографическая сетка в проекции Меркатора

Для построения картографической сетки в проекции Меркатора и нанесения опорных пунктов на составляемую карту необходимо знать прямоугольные координаты (меридианный отрезок D и ординату у) точек пересечения меридианов и параллелей и опорных пунктов.

Значение D по аргументу широты среднее выбирается из специальных таблиц, составленных Гидрографическим управлением ВМФ, а значение у вычисляется по формуле (35).

За начало координат на морских картах берется точка пересечения среднего меридиана и главной параллели морского бассейна, для которого составляются карты. Эта параллель является параллелью сечения, и масштаб по ней равен единице.

Зная прямоугольные координаты вершин углов рамки листа карты, находят размеры сторон этой рамки, как разности меридианных отрезков D для южной и северной параллелей и разности значений у для западного и восточного меридианов. По найденным размерам сторон строят прямоугольник (внутреннюю рамку листа), который будет являться основой для построения промежуточных меридианов и параллелей карты, а также для нанесения опорных пунктов.

Меридианы и параллели в проекции Меркатора изображаются параллельными и взаимно-перпендикулярными прямыми, поэтому для их построения достаточно определить меридианные отрезки D. Для точек пересечения параллелей карты с осью X и ординаты у для точек пересечения меридианов карты с осью У. Когда эти значения найдены, определяют разности D - Dю и у - у3 для указанных точек. Здесь Dю - меридианный отрезок южной параллели, а уз- ордината западного меридиана. Эти разности откладывают от вершины юго-западного угла рамки по западной и южной сторонам и через точки отложения проводят линии, параллельные соответственно южной и боковой сторонам, которые и будут являться параллелями и меридианами карты.

Рис 3 Картографическая сетка в равноугольной цилиндрической проекции (Меркатора)

На рис. 3 показана картографическая сетка в равноугольной цилиндрической проекции (на касательном цилиндре) для изображения земного шара. Значения масштабов в этой проекции приведены в таблице 4.

Таблица 4

Масштабы в равноугольной цилиндрической проекции Меркатора.

Благодаря тому, что проекция Меркатора является равноугольной, а меридианы изображаются в ней параллельными прямыми, она обладает одним замечательным свойством: линия, пересекающая все меридианы под одним и тем же углом, изображается в этой проекции прямой. Такая линия называется локсодромией. Движущееся судно, если оно с помощью компаса держит один и тот же курс, фактически идет по локсодромии. Указанное свойство проекции Меркатора привело к широкому ее использованию для морских карт.

Рис. 4. Ортодромия и локсодромия на карте в проекции Меркатора

Ортодромия и локсодромия

По карте, составленной в проекции Меркатора, легко и просто отмечать путь судна и определять его постоянный курс, т. е. направление, по которому оно должно двигаться, чтобы попасть из одной точки в другую. Постоянный курс судна определяется путем измерения транспортиром угла между прямой, соединяющей эти точки на карте, и одним из меридианов.

Однако следует заметить, что при большом расстоянии между точками А и В (рис. 4) локсодромия на сфере значительно отходит в сторону от ортодромии (кратчайшего расстояния между этими точками), которая в проекции

Рис. 5. Ортодромия и локсодромия между Нью-Йорком и Москвой на карте в проекции Меркатора.

Меркатора изображается кривой линией. В этом случае штурман ведет судно не по одному курсу, а по нескольким, меняя направление движения в определенных точках (а и b). Путь судна при этом изобразится на карте в виде ломаных линий хорд, вписанных в ортодромию. Применительно к рисунку, судно из точки А к точке А пойдет под азимутом из точки А к точке b - под азимутом , из точки b к конечной точке В - под азимутом .

Для наглядности можно указать (рис. 5), что между Нью-Йорком и Москвой длина ортодромии составляет 7507 км, а локсодромии - 8371 км, т. е. разница между их длинами равна 864 км. Наибольшее удаление точек локсодромии от ортодромии здесь достигает 1650 км.

Второе удобство проекции Меркатора в применении ее для морских навигационных карт состоит в том, что она позволяет легко, с достаточной для практики точностью, определять по карте расстояния в морских милях, не прибегая при этом к построению особых масштабов, а пользуясь лишь делениями (в градусах или минутах), нанесенными на боковых сторонах рамки карты. Морская миля равна 1852 м, что приблизительно соответствует средней длине дуги меридиана в одну минуту.

Если, например, по карте требуется определить в морских милях расстояние АВ (рис. 42), то, сняв раствором циркуля отрезок АВ, прикладывают циркуль к ближайшей боковой стороне рамки карты так, чтобы середина отрезка- точка С-оказалась на средней широте точек А и В (в точке С1). Количество меридианных минут, подсчитанное в пределах этого отрезка, и будет выражать расстояние АВ в морских милях (на рис. 6 отрезок А В = 215 миль).

В заключение необходимо отметить, что при составлении топографических и обзорно-топографических карт различных масштабов широко используются в качестве картографического материала различные Морские карты, составленные в равноугольной цилиндрической проекции. Поэтому знание особенностей этой проекции имеет большое практическое значение.

Рис. 6. Определение расстояния АВ в милях по карте в проекции Меркатора

Упражнение

Вычислить меридианный отрезок D и ординату «у» в равноугольной цилиндрической проекции на касательном цилиндре для точки с географическими координатами = 30°, 35° (от среднего меридиана, принятого за ось X) при = 1:5000000. Эллипсоид Красовского.

Равноугольная цилиндрическая проекция - 5.0 out of 5 based on 1 vote

Он никогда не совершал морских путешествий, все открытия сделал в своем кабинете, но его труды достойно венчают эпоху Великих географических открытий. Он собрал воедино все накопленные в Европе географические знания, создал наиболее точные карты. С Герарда Меркатора берет свое начало наука, получившая название картографии.

В XIII-XIV веках в Европе появляются компас и морские навигационные карты, на которых довольно точно отображалась береговая линия, а внутренние области суши заполнялись картинами из жизни населявших их народов, подчас весьма далекими от действительности. В 1375-1377 годах Авраам Крескес составляет знаменитые Каталонские карты.

В них отразился весь опыт мореплавания, накопленный к тому времени. Вместо сетки параллелей и меридианов на них были нанесены линии, отмечавшие направление, которое указывала стрелка компаса: по ним можно было ориентироваться в далеких плаваниях. В 1409 году Мануэл Хризопор переводит "Географию" Птолемея, заново открывая ее для современников.

Морские плавания Колумба, Васко да Гамы, Магеллана дали множество новых фактов, не вписывающихся в прежние географические представления. Они требовали осмысления и оформления в виде новой географии, дававшей возможность осуществлять дальние торговые и военные походы. Выполнил эту задачу Герард Меркатор, знаменитый географ, автор новой картографии.

Эта удивительная карта была нарисована в 1538 году Герхардом Меркатором - чрезвычайно уважаемым картографом, жившим в 16 веке. Его работы весьма знамениты, и вы до сих пор можете купить атлас Меркатора в магазине. Он первым использовал слово «Атлас» для коллекции карт. И его работы в географии были столь же важны для развития науки, как и Коперника в астрономии. Кстати, он дружил и сотрудничал с известным алхимиком, магом и астрологом Джоном Ди. Был хорошим знатоком математики и в свое время даже преподавал ее. Разработал способ массового производства глобусов.

Герхард Меркатор был известен тем, что периодически обновлял свои работы и создавал новые, более подробные атласы мира по мере того, как всё больше берегов открывались мореплавателям, и к нему поступали всё более и более точные данные. В ходе одного такого обновления, его карта мира 1538 года (приведена на рисунке выше) была заменена новой в 1569 году. И что удивительно, карта 1538 года не только была более точной, чем более поздняя, но и содержала в себе корректные измерения географической долготы.

Чтобы понять значение этого факта, следует сказать, что вычисление долготы намного более сложный процесс, чем вычисление широты, которую можно определить наблюдениями за звёздами и Солнцем. Вычисление долготы требует решения уравнения «Расстояние = скорость, помноженная на время» и, что ещё более важно, точных часов. Определение долготы в своё время было названо «величайшей проблемой морской навигации» и в 1700-х годах в Англии даже был создан специальный Комитет по вопросам долготы, призванный решить эту проблему. В 1714 году сэр Исаак Ньютон предстал перед Комитетом и объяснил, что истинным корнем проблемы является то, что «часы, необходимые для измерения такой точности, пока ещё просто не изобретены». Королева Англии затем установила награду в 200 тысяч фунтов человеку, который сможет построить такие часы и наконец, в 1761 году некто Гаррисон получил эту награду и выдвинул свой прототип хронометра, который затем «открыл миру новую эру морских путешествий». В течение 19 века карты обновлялись уже корректными измерениями долготы.

Однако карта Меркатора была отмечена точными значениями долготы ещё в 1538 году - за 223 лет до того, как она была открыта. Откуда он получил эту информацию? Очевидно, что сам Меркатор не имел в то время никаких знаний о долготе и должен был получить эту информацию из некого иного источника, поскольку последующие карты были отмечены неверными значениями - а значит, их источник считался более надёжным. Эти карты таят в себе большую загадку - если человек глубокой древности никогда не совершал кругосветного путешествия и не располагал никакими познаниями о географической долготе, то как эти карты вообще появились на свет? Ответа на этот вопрос мы не знаем.

Карта мира, 1531 год:

Герард Меркатор родился 5 марта 1512 года в городе Рюпельмонде (современная Бельгия), в области, входившей тогда в состав Нидерландов. Он был седьмым ребенком в семье, жившей достаточно бедно. Когда Герарду исполнилось 14 или 15 лет, его отец умер, и семья осталась без средств к существованию. Воспитателем Герарда становится его родственник, кюре Гизберт Кремер. Благодаря ему Герард получает образование в гимназии небольшого городка Буа-де-Дюн. Хотя эта гимназия имела духовную направленность, в ней изучались и классические древние языки и начала логики. В это время Герард меняет свою немецкую фамилию Кремер, что значит "лавочник", на латинскую Меркатор - "торговец", "купец".

Гимназию он оканчивает очень быстро, за три с половиной года, и почти сразу же продолжает обучение в Лувенском университете, вновь благодаря поддержке Гизберта Кремера. Лувен был крупнейшим научным и учебным центром Нидерландов, в нем находилось 43 гимназии, а его университет, основанный еще в 1425 году, был лучшим в Северной Европе. В центр гуманистического образования и свободомыслия город превратился благодаря Эразму Роттердамскому (1465-1536), жившему некоторое время в Лувене.

Именно в университетские годы у Меркатора появляется особый интерес к естественным наукам, особенно к астрономии и географии. Он начинает читать сочинения древних авторов, стремясь узнать, как устроен земной шар. Впоследствии он напишет: "Когда я пристрастился к изучению философии, мне страшно нравилось изучение природы, потому что она дает объяснение причин всех вещей и является источником всякого знания, но я обращался лишь к частному вопросу - к изучению устройства мира". Убедившись в недостаточности своих знаний в области математики, особенно геометрии, он приступает к самостоятельному ее изучению. Существовавший тогда учебник его явно не удовлетворяет, и он читает в подлиннике первые семь книг "Начал" Евклида.

"Когда я пристрастился к изучению философии, мне страшно нравилось изучение природы, потому что она является источником всякого знания, но я обращался лишь к изучению устройства мира". Из письма Г. Меркатора

После окончания университета Меркатор получает степень "мастера искусств" (лиценциата) и остается жить в Лувене. Не теряя связи с университетом, он слушает лекции о планетах профессора Геммы Фризиуса, одного из выдающихся людей того времени. Блестящий астроном, математик, картограф и врач, Фризиус прокладывал новые пути в науке и практике. Его перу принадлежат сочинения по космографии и географии, он изготовлял глобусы и астрономические инструменты. Меркатор становится его учеником и помощником. Начав с гравировальных работ, он затем переходит и к более сложным - к изготовлению глобусов, астролябий и других астрономических приборов. Сконструированные и изготовленные им инструменты благодаря своей точности почти сразу приносят ему известность.

Одновременно с этим Меркатор включается в разработку математических основ картографии. Основная проблема заключалась в том, что из-за шарообразной формы Земли ее поверхность невозможно изобразить на плоскости без искажений, и нужно было найти такой способ, при котором изображения океанов и материков на карте выглядели бы наиболее похоже. В 25 лет Меркатор выступает со своей первой самостоятельной картографической работой: это карта Палестины, изданная в Лувене.

В следующем году он издает карту мира в двойной сердцевидной проекции, выполненную очень тщательно и учитывающую новейшие географические сведения. На этой карте название Америка впервые распространено на оба материка Нового Света, а сама Америка изображается отделенной от Азии, вопреки распространенному тогда ошибочному представлению. Все работы Меркатора подчинены единому плану и тесно взаимосвязаны: в пояснительном тексте к карте он говорит, что показанный на карте мир будет впоследствии рассмотрен детально.

В 1541 году Меркатор конструирует небесный глобус с изображением звезд и фигур созвездий, ко торый стал одним из лучших для того времени. Он свободно вращался вокруг оси, проходящей через полюсы и закрепленной внутри массивного медного кольца. О тличительной особенностью этого глобуса была нанесенная на его поверхность сетка кривых линий, предназначенных для облегчения морской навигации. Эти линии позволяют считать, что при создании глобуса Меркатором была в основном завершена разработка знаменитой картографической проекции, названной потом его именем.

Картографическая проекция Меркатора увеличивает размеры полярных стран, но зато позволяет легко определить нужное направление - это имеет огромное значение в мореплавании.

Благодаря своим работам по изготовлению карт и астрономических инструментов Меркатор становится все более знаменитым, слава о нем доходит даже до короля Испании Карла V. Но широкая известность привлекает и внимание инквизиции. Появляются сведения, что Меркатор вольно обсуждает несоответствия в учениях Аристотеля и в Библии, а кроме того, пребывает в постоянных разъездах, что само по себе всегда выглядит подозрительным в глазах инквизиторов. В 1544 году он попадает в тюрьму. Многочисленные заступничества не приводят к успеху, и лишь после вмешательства Карла V, проведя четыре месяца в заключении, Меркатор вновь обретает свободу.

Опасаясь гонений, он переезжает в Дуйсбург, где дышится вольнее, но условия работы гораздо хуже. Этот город удален от моря и от торговых путей, и добывать сведения о последних открытиях, получать новые чертежи и карты здесь сложнее, чем в Лувене. Однако его выручает географ Авраам Ортелий: между коллегами завязывается тесная переписка, благодаря которой Меркатор и получает нужные сведения.

В Дуйсбурге он продолжает работать над изданием карт. Теперь он трудится в одиночку, на его плечи ложится и составление, и вычерчивание, и гравировка карт, составление надписей и легенд, а также забота о продаже карт. Работа над созданием всеобъемлющего труда по космографии, поглотившая его целиком, началась в 1564 году. Меркатор задумывал картографическое произведение, включающее разделы "Сотворение мира", "Описание небесных предметов", "Земля и моря", "Генеалогия и история государств", "Хронология".

Из-за шарообразности Земли ее поверхность невозможно изобразить на плоскости абсолютно точно. На картах, составленных Меркатором, очертания океанов и континентов представлены с наименьшими искажениями.

В 1569 году Меркатор издает карту Мира, названную им "Новое и наиболее полное изображение земного шара, проверенное и приспособленное для применения в навигации". Она была выполнена на 18 листах, при ее изготовлении использовался новый способ изображения сетки параллелей и меридианов, получивший впоследствии название меркаторской (или цилиндрической) проекции. При составлении карты он ставил перед собой задачу показать земной шар на плоскости так, чтобы изображения всех точек земной поверхности соответствовали их истинному положению, а очертания стран, по возможности, не искажались. Еще одна цель состояла в изображении мира, известного древним - то есть Старого Света, - и места, занимаемого им на Земле. Меркатор писал, что с открытием новых материков перед всем миром предстали более отчетливо и ярко достижения древних в изучении Старого Света, изображение которого с наиболее возможной полнотой представлено на карте.

К 1571 году Меркатор завершает работу, названную им "Атлас, или картографические соображения о сотворении мира и вид сотворенного". К "Атласу" прилагались карты. С тех пор слово "атлас" стало нарицательным для собрания карт. Издание "Атласа" увидело свет лишь в 1595 году, через год после смерти Герарда Меркатора.

Карта Джона Ди 1582 года. На ней мы видим практически то же изображение Арктиды, что и на карте Меркатора 1569 года, но без окрашивания в разные цвета разных территорий и без нанесения названий. Арктида «пигмеев» здесь выдаётся на юг еще больше, однако участок побережья, отделенный горной грядой здесь отсутствует вовсе. Америка уехала от Четвертой Арктиды очень далеко, так что океан в данном месте весьма широкий, а самое узкое место находится в проливе, осуществляющем контакт с Азией. Так что тенденция к отделению Арктид от материков здесь осуществляется в наибольшей степени.

Храбрые моряки, чьи большие рейсы исследования открыли мир, являются изобразительными фигурами в европейской истории. В 1492 Колумбус нашел Новый Мир; В 1488 диаметры обнаружили Мыс Доброй Надежды; и Magellan, выделенный, чтобы плавать вокруг мира в 1519. Однако, есть одна трудность с этим уверенным утверждением европейского мастерства: это, возможно, не верно.

Кажется более вероятным, что мир и все его континенты были обнаружены китайским адмиралом по имени Zheng Он, флоты которого бродили по океанам между 1405 и 1435. Его деяния, которые хорошо зарегистрированы в китайские исторические отчеты, были написаны о в книге, которая появилась в Китае приблизительно в 1418, названном ”Изумительные Видения Плота Звезды”.

Карта на камне из г. Ика, Перу, материк разделён на 4 части реками - на мой взгляд похоже на Гиперборею, если это так - то перед вами древнейшая карта, возраст камней датируют от нескольких миллионов до десятсков млн. лет! т.к. среди найденных камней (их всего более 15 000) есть с изображениями динозавров, при чём в качестве домашних животных на острове вверху изображён теремок.