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

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.

В пеших путешествиях и велопоездках незаменимым спутником исследователя является топографическая карта. Одной из задач картографии (одной из дисциплин такой науки как геодезия ) является изображение криволинейной поверхности Земли (фигуры Земли) на плоской карте. Для решения этой задачи необходимо выбрать эллипсоид — форму трехмерного тела, приближенно соответствующего земной поверхности, датум — начальную точку системы координат (центр эллипсоида) и начальный меридиан (англ. prime meridian ) и проекцию — способ изображения поверхности этого тела на плоскости.

Эллипсоиды и датумы

В разное время для построения карт использовались различные варианты представления поверхности Земли в виде сферы или эллипсоида.

Представление Земли в виде сферы радиусом 6378137 метра (либо 6367600 метров) позволяет определить координаты любой точки на земной поверхности в виде двух чисел — широты $\phi$ и долготы $\lambda$:

Для земного эллипсоида в качестве (географической) широты используется понятие геодезическая широта (англ. geodetic latitude ) φ — угол, образованный нормалью к поверхности земного эллипсоида в данной точке и плоскостью его экватора, причем нормаль не проходит через центр эллипсоида за исключением экватора и полюсов:

Значение долготы (англ. longitude ) λ зависит от выбора начального (нулевого) меридиана для эллипсоида.
В качестве параметров эллипсоида обычно используются радиус большой (экваториальной) полуоси a и сжатие f .
Сжатие $f = {{a-b} \over a}$ определяет сплюснутость эллипсоида у полюсов.

Одним из первых эллипсоидов был эллипсоид Бесселя (Bessel ellipsoid, Bessel 1841 ), определенный из измерений в 1841 году Фридрихом Бесселем (Friedrich Wilhelm Bessel ), с длиной большой полуоси a = 6377397,155 м и сжатием f = 1:299,152815 . В настоящее время он используется в Германии, Австрии, Чехии и некоторых азиатских и европейских странах.

датум Potsdam (PD)

Ранее для построения карт в проекции UTM использовался международный эллипсоид (International ellipsoid 1924 , Hayford ellipsoid ) с длиной большой (экваториальной) полуоси a = 6378388 м и сжатием f = 1:297,00 , предложенный американским геодезистом Джоном Филлмором Хейфордом ( в 1910 году.

Джон Филлмор Хейфорд

датум ED 50 (European Datum 1950 )

• эллипсоид — International ellipsoid 1924
• Greenwich prime meridian )

Для выполнения работ на всей территории СССР с 1946 года (постановление Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 г. № 760) использовалась геодезическая система координат СК-42 (Пулково 1942) , основанная на эллипсоиде Красовского с длиной большой (экваториальной) полуоси a = 6378245 м и сжатием f = 1:298,3 . Этот референц-эллипсоид назван в честь советского астронома-геодезиста Феодосия Николаевича Красовского. Центр этого эллипсоида сдвинут по отношению у центру масс Земли примерно на 100 метров для максимального соответствия поверхности Земли на европейской территории СССР.

датум Пулково-1942 (Pulkovo 1942)

• эллипсоид — Красовского (Krassowsky 1940 )
• нулевой меридиан — гринвичский меридиан (Greenwich prime meridian )

В настоящее время (в том числе и в системе GPS ) широко используется эллипсоид WGS84 (World Geodetic System 1984) с длиной большой полуоси a = 6378137 м, сжатием f = 1:298,257223563 и эксцентрисетом e = 0,081819191 . Центр этого эллипсоида совпадает с центром масс Земли.

датум WGS84 (EPSG:4326)

• эллипсоид — WGS84
• нулевой меридиан — опорный меридиан (IERS Reference Meridian (International Reference Meridian)) , проходящий в 5,31″ к востоку от Гринвичского меридиана. Именно от этого меридиана отсчитывается долгота в системе GPS (англ. GPS longitude )
  

Центр системы координат WGS84 совпадает с центром масс Земли, ось Z системы координат направлена на опорный полюс (англ. IERS Reference Pole (IRP)) и совпадает с осью вращения эллипсоида, ось X проходит по линии пересечения нулевого меридиана и плоскости, проходящей через точку начала координат и перпендикулярную к оси Z , ось Y перпедикулярна оси X .

Альтернативой эллипсоиду WGS84 является эллипсоид ПЗ-90 , используемый в системе ГЛОНАСС , с длиной большой полуоси a = 6378136 м и сжатием f = 1:298,25784 .

Преобразования датумов

При простейшем варианте перехода между датумами Пулково-1942 и WGS84 необходимо учитывать только смещение центра эллипсоида Красовского по отношению к центру эллипсоида WGS84 :
рекомендовано в ГОСТ 51794-2001 —
dX = +00023,92 м; dY = –00141,27 м; dZ = –00080,91 м;
рекомендовано в World Geodetic System 1984 . NIMA, 2000 —
dX = +00028 м; dY = –00130 м; dZ = –00095 м.
Следует отметить, что выше приведены усредненные значения коэффициентов, которые для более точного преобразования должны вычисляться для каждой точки земной поверхности индивидуально. Например, для соседней с Беларусью Польшей эти параметры таковы:
dX = +00023 м; dY = –00124 м; dZ = –00082 м (по данным )
Такое преобразование называется трехпараметрическим .
При более точной трансформации (преобразовании Молоденского ) необходимо учитывать разницу между формами эллипсоидов, определяемую двумя параметрами:
da — разница между длинами больших полуосей, df — разница между коэффициентами сжатия (разница в уплощении). Их значения одинаковы для ГОСТ и NIMA :
da = – 00108 м; df = + 0,00480795 ⋅ 10 -4 м.

При переходе между датумами ED 50 и WGS84 параметры преобразования таковы:
da = – 00251 м; df = — 0,14192702 ⋅ 10 -4 м;
для Европы dX = -87 м; dY = –96 м; dZ = –120 м (по данным User’s Handbook on Datum Transformations involving WGS-84, 3-е издание, 2003 ).

Набор из указанных пяти параметров (dX , dY , dZ , da , df ) может вводиться в навигатор или навигационную программу в качестве характеристики используемого пользователем датума.

Проекции

Способ изображения трехмерной земной поверхности на двумерной карте определяется выбранной картографической проекцией .
Наиболее популярны (нормальная ) цилиндрическая проекция Меркатора и такая ее разновидность как поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора (Transverse Mercator ).

В отличие от известной в течение веков нормальной проекции Меркатора, которая особенно хороша для изображения экваториальных областей, поперечная проекция отличается тем, что цилиндр, на который проецируется поверхность планеты, повернут на 90°:

Цилиндрическая проекция Меркатора

Сферическая проекция Меркатора

Для сферической проекции действуют следующие формулы перевода широты $\phi$ и долготы $\lambda$ точки на поверхности земной сферы (в радианах) в прямоугольные координаты $x$ и $y$ на карте (в метрах):
$x = (\lambda — {\lambda}_0) \cdot R$ ;
$y = arcsinh (\tan (\phi)) \cdot R =\ln { (\tan{ ({\phi \over 2} + {\pi \over 4} }) }) \cdot R$
(logarithmic tangent formula ) ,
где $R$ — радиус сферы, ${\lambda}_0$ — долгота нулевого меридиана.
Масштабный коэффициент $k$ представляет собой отношения расстояния по сетке карты (англ. grid distance ) к локальному (геодезическому) расстоянию (англ. geodetic distance ):
$k = {1 \over {\cos \phi}}$.
Обратный перевод реализуется с помощью таких формул:
$\lambda = {x \over R} + {\lambda}_0 $ ;
$ \phi = {\pi \over 2} — 2 \arctan(e^{-y \over R}) $ .
Важной для мореплавания особенностью проекции Меркатора является то, что линия румба (англ. rhumb lines ) или локсодрома (англ. loxodrome ) на ней изображается прямой линией.
Локсодрома — это дуга, пересекающая меридианы под одним и тем же углом, т.е. путь с постоянным (локсодромическим ) путевым углом.
Путевой угол , ПУ (англ. heading ) - это угол между северным направлением меридиана в месте измерения и направлением линии пути, отсчитывается по часовой стрелке от направления на географический север (0° применяется для указания направления движения на север, 90° — на восток).
Локсодромы являются спиралями, совершающими неограниченное число витков, приближаясь к полюсам.

Следует отметить, что локсодрома не является кратчайшим путем между двумя точками — ортодромой, дугой большого круга , соединяющей эти точки.

Web Mercator

Вариант меркаторовской сферической проекции используется многими картографическими сервисами, например, OpenStreetMap, Google Maps, Bing Maps.

В OpenStreetMap карта мира представляет собой квадрат с координатами точек по осям x и y , лежащими между -20 037 508,34 и 20 037 508,34 м. Как следствие, на такой карте не показаны области, лежащие севернее 85,051129° северной широты и южнее 85,051129° южной широты. Это значение широты $\phi_{max}$ является решением уравнения:
$\phi_{max} = 2\arctan(e^\pi) — {\pi\over 2} $ .
Как и любой карте, составленной в проекции Меркатора, ей свойственны искажения площадей, наиболее ярко проявляющиеся при сравнении изображенных на карте Гренландии и Австралии:

При прорисовке карты в OpenStreetMap координаты (широта и долгота) на эллипсоиде в системе WGS84 проецируются на плоскость карты так, как будто эти координаты определены на сфере радиусом R = a = 6 378 137 м (перепроецирование) — сферическое представление эллипсоидальных координат («spherical development of ellipsoidal coordinates «). Этой проекции, получившей название Web Mercator ) соответствует EPSG (European Petroleum Survey Group ) код 3857 («WGS 84 / Pseudo-Mercator «).
Перепроецирование из EPSG:4326 в EPSG:3857 ($\phi ,\lambda \rightarrow x,y $) реализуется по вышеприведенным формулам для обычной сферической проекции Меркатора.
На такой карте направление на север всегда соответствуют направлению на верхнюю сторону карты, меридианы представляют собой равноотстоящие друг от друга вертикальные линии.
Но такая проекция в отличие от сферической или эллиптической проекции Меркатора не является равноугольной (конформной ), линии румба в ней не являются прямыми. Линия румба (локсодром ) — это линия пересекающая меридианы под постоянным углом.
Преимуществом рассматриваемой проекции является простота вычислений.

В указанной проекции карта может быть расчерчена прямоугольной сеткой координат (по значениям долготы и широты).
Привязку карты (сопоставление прямоугольных координат на карте и географических координат на местности) можно осуществить по $N$ точкам с известными координатами. Для этого необходимо решить систему из $2 N$ уравнений вида
$X = \rho_{\lambda} \lambda — X_0$ , $Y = arcsinh (\tan (\phi)) \cdot \rho_{\phi} — Y_0 $ .
Для решения системы уравнений и определения значений параметров $X_0$ , $Y_0$ , $\rho_{\lambda}$ , $\rho_{\phi}$ можно использовать, например, математический пакет Mathcad .
Для проверки правильности привязки карты можно определить отношение длин сторон прямоугольника построенной сетки. Если горизонтальная и вертикальная стороны прямоугольника соответствуют одинаковой угловой длине по долготе и широте, то отношение длины горизонтальной стороны (дуги параллели — малого круга) к длине вертикальной стороны (дуги меридиана — большого круга) должно быть равно $\cos \phi$ , где $\phi$ — географическая широта места.

Эллиптическая проекция Меркатора

Эллиптическая проекция Меркатора (EPSG:3395 — WGS 84/World Mercator ) используется, например, сервисами Яндекс.Карты , Космоснимки.
Для эллиптической проекции действуют следующие формулы перевода широты $\phi$ и долготы $\lambda$ точки на поверхности земной сферы (в радианах) в прямоугольные координаты $x$ и $y$ на карте (в метрах):
$x = (\lambda — {\lambda}_0) \cdot a$ ;
$y = a \ln (\tan ({\pi \over 4} + {\phi \over 2}) ({{1 — e \sin {\phi}} \over {1 + e \sin {\phi}}})^{e \over 2}) $ ,
где $a$ — длина большой полуоси эллипсоида, $e$ — эксцентриситет эллипсоида, ${\lambda}_0$ — долгота нулевого меридиана.
Масштабный коэффициент $k$ определяется выражением:
$k = {{\sqrt {(1 — {e^2} {{(\sin \phi)}^2})}} \over {\cos \phi}} $ .
Обратный перевод реализуется с помощью таких формул:
$\lambda = {x \over a} + {\lambda}_0 $ ;
$ \phi = {\pi \over 2} — 2 \arctan(e^{-y \over a} ({{1 — e \sin {\phi}} \over {1 + e \sin {\phi}}})^{e \over 2}) $ .
Широта вычисляется по итерационной формуле, в качестве первого приближения следует использовать значение широты, вычисленной по формуле для сферической проекции Меркатора.

Поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора

Чаще всего используются две разновидности поперечно-цилиндрической проекции Меркатора — проекция Гаусса-Крюгера (англ. Gauss — Krüger ) (получила распространение на территории бывшего СССР) и универсальная поперечная проекция Меркатора (англ. Universal Transverse Mercator (UTM )).
Для обеих проекций цилиндр, на который происходит проекция, охватывает земной эллипсоид по меридиану, называемому центральным (осевым) меридианом (англ. central meridian, longitude origin) зоны. Зона (англ. zone ) - это участок земной поверхности, ограниченный двумя меридианами с разностью долготы в 6°. Всего существует 60 зон. Зоны полностью покрывают поверхность Земли между широтами 80°S и 84°N.
Отличие двух проекций заключается в том, что проекция Гаусса-Крюгера — это проекция на касательный цилиндр, а универсальная поперечная проекция Меркатора — это проекция на секущий цилиндр (для избежания искажений на крайних меридианах):

Проекция Гаусса-Крюгера

Проекция Гаусса-Крюгера была разработана немецкими учёными Карлом Гауссом и Луи Крюгером.
В этой проекции зоны нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 0°. Например, зона 1 простирается с меридиана 0° до меридиана 6°, ее центральный меридиан 3°.
В советской системе разграфки и номенклатуры топографических карт зоны называются колоннами и нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 180°.
Например, Гомель и окрестности относятся к зоне 6 (колонне 36 ) с центральным меридианом 33°.
Зоны/колонны делятся параллелями на ряды (через 4°), которые обозначаются заглавными латинскими буквами от А до V , начиная от экватора к полюсам.
Например, Гомель и окрестности относятся к ряду N . Таким образом, полное название листа карты масштаба 1:1 000 000 (10 км в 1 см), изображающей Гомель, выглядит как N-36 . Этот лист делится на листы карт более крупного масштаба:


Для Беларуси и соседних стран разграфка такова:

Для определения по топографической карте положения точки на карту наносят сетку прямоугольных координат X и Y , выраженных в километрах. Она образована системой линий, параллельных изображению осевого меридиана зоны (вертикальные линии сетки, оси X ) и перпендикулярных к нему (горизонтальные линии сетки, оси Y ).
На карте масштаба 1:200 000 расстояние между линиями сетки составляет 4 км; на карте масштаба 1:100 000 - 2 км.
Координата X подписывается на вертикальных краях листа карты и выражает расстояние до экватора, а координата Y подписывается на горизонтальных краях листа карты и состоит из номера зоны (первые одна или две цифры значения) и положения точки относительно центрального меридиана зоны (последние три цифры значения, причем центральному меридиану зоны присваивается значение 500 км).


фрагмент листа N36-123 советской топографической карты масштаба 1:100 000

Например, на вышеприведенном фрагменте карты надпись 6366 возле вертикальной линии сетки означает: 6 — 6-я зона, 366 — расстояние в километрах от осевого меридиана, условно перенесенного западнее на 500 км, а надпись 5804 возле горизонтальной линии сетки означает расстояние от экватора в километрах.

Универсальная поперечная проекция Меркатора

Универсальная поперечная проекция Меркатора (UTM ) была разработана инженерными войсками США (United States Army Corps of Engineers ) в 1940-х годах.

Для построения карт в проекции UTM ранее использовался эллипсоид International 1924 — сетка UTM (International) , а в настоящее время — эллипсоид WGS84 — сетка UTM (WGS84) .
В этой проекции зоны нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 180°.
Эта система используется вооруженными силами США и НАТО (англ. United States and NATO armed forces ):

Каждая зона разделена на горизонтальные полосы через каждые 8° широты. Эти полосы обозначены буквами, с юга на север, начиная от буквы C для широты 80° S и заканчивая буквой X для широты 84° N . Буквы I и O пропущены для избежания путаницы с цифрами 1 и 0. Полоса, помеченная буквой X , занимает 12° по широте.
Зона в этой проекции обозначается номером (англ. longitude zone ) и буквой (каналом широты, англ. latitude zone ):


На этом рисунке видны две нестандартные зоны долготы — зона 32V расширена для покрытия всей южной Норвегии, а зона 31V сокращена для покрытия только водного пространства.
Для Гомеля и окрестностей зона обозначается как 36U с центральным меридианом 33°:

Зона покрывается прямоугольной (километровой) сеткой (сеткой по универсальной поперечной проекции Меркатора, СУППМ):


Длина стороны квадрата сетки в вышеприведенном фрагменте карты составляет 10 км.

Точка начала системы координат для каждой зоны определяется пересечением экватора и центрального меридиана зоны.
Координата E (Easting ) на такой сетке представляет собой расстояние на карте от центрального меридиана в метрах (к востоку — положительное, к западу — отрицательное), к которому прибавлено + 500 000 метров (англ. False Easting
Координата N (Northing ) на такой сетке представляет собой расстояние на карте от экватора в метрах (к северу — положительное, к югу — отрицательное), причем в южном полушарии это расстояние вычитается из 10 000 000 метров (англ. False Northing ) для избежания появления отрицательных значений.
Например, для левого нижнего угла квадрата сетки на вышеприведенной карте координаты записываются как
36U (либо 36+ ) 380000 5810000 ,
где 36 — longitude zone , U — latitude zone , 380000 — easting , 5810000 — northing .

Преобразование широты и долготы в координаты UTM поясняется рисунком:

P — рассматриваемая точка
F — точка пересечения перпендикуляра, опущенного на центральный меридиан из точки P , с центральным меридианом (точка на центральном меридиане с тем же самым northing , что и рассматриваемая точка P ) . Широта точки F (англ. footprint latitude ) обозначается как $\phi ‘ $ .
O — экватор
OZ — центральный меридиан
LP — параллель точки P
ZP — меридиан точки P
OL = k 0 S — дуга меридиана от экватора
OF = N — northing
FP = E — easting
GN — направление на север сетки карты (англ. grid north )
C — угол схождения меридианов (англ. convergence of meridians ) — угол между направлением на истинный север (англ. true north ) и на север сетки карты

При преобразовании прямоугольных координат (X , Y ) для проекции Гаусса-Крюгера на эллипсоиде WGS84 в прямоугольные координаты (N , E ) для универсальной поперечной проекции Меркатора на том же эллипсоиде WGS84 необходимо учитывать масштабный коэффициент (англ. scale factor ) $k_0 = 0,9996 $ :
$ N = X \cdot k_0 $ ;
$ E = Y_0 + Y \cdot k_0 $ ,
где $ Y_0 = 500 000 $ метров.

Указанный масштабный коэффициент $k_0 = 0,9996 $ верен только для центрального меридиана зоны. При удалении от осевого меридиана масштабный коэффициент изменяется.

Примечание. Погрешность считывания координат с карты (georeferencing accuracy ) обычно принимается равной ±0,2 мм. Именно такую точность имеют устройства, применяемые при создании аналоговой карты.

Геоид

Следует отметить, что более точным приближением поверхности нашей планеты является геоид (англ. geoid ) — эквипотенциальная поверхность земного поля тяжести, т. е. поверхность геоида везде перпендикулярна линии отвеса. Но сила тяжести определяется векторной суммой гравитационной силы со стороны Земли и центробежной силы, связанной с вращением Земли, поэтому потенциал силы тяжести не совпадает с чисто гравитационным потенциалом .
Геоид совпадает со средним уровнем Мирового океана, относительно которого ведется отсчет высот над уровнем моря .
Геоид имеет сложную форму, отражающую распределение масс внутри Земли, и поэтому для решения геодезических задач геоид заменяется эллипсоидом вращения. Наиболее современной математической моделью геоида является EGM2008 , пришедшая на смену популярной модели EGM96 .

Продолжение следует.

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)