Сущность проекции гаусса-крюгера и использование ее в геодезии

В геодезии применяют проекцию Гаусса-Крюгера – это такое равноугольное изображение поверхности земного эллипсоида на плоскости, при котором осевой меридиан изображают прямой линией с сохранением масштаба, экватор – также прямой, перпендикулярный осевому меридиану, а все остальные меридианы и параллели – кривые линии.

Сущность проекции Гаусса-Крюгера заключается в следующем: вся поверхность Земли делится на 6-градусные (по долготе) зоны (дольки от полюса до полюса), которые каждая отдельно разворачиваются в плоскую поверхность. Всего образуется 60 таких зон, которые нумеруются цифрами от 1 до 60. По широте зоны делятся на пояса по 4 градуса, которые обозначаются латинскими буквами от A до V. Именно эти листы и образуют систему листов карты масштаба 1: 1 000 000.

В проекции Гаусса-Крюгера вся поверхность Земли условно разделена на 6⁰ зон меридианами, проведенными через 6⁰; форма зоны - сферический двуугольник (рис.1.9); счет зон ведется от Гринвичского меридиана на восток. Средний меридиан зоны называется осевым; долгота осевого меридиана L₀ любой зоны в восточном полушарии подсчитывается по формуле:

L₀=6⁰∙n - 3⁰ (1.7)

а в западном - по формуле:

L₀=360⁰ - (6⁰∙n - 3⁰),

где n - номер зоны.

Рис.1.9 Рис.1.10

Представим себе, что земной эллипсоид вписан в эллиптический цилиндр. Ось цилиндра расположена в плоскости экватора и проходит через центр эллипсоида (рис.1.10). Цилиндр касается эллипсоида по осевому меридиану данной зоны. Вся поверхность зоны проектируется на поверхность цилиндра нормалями к эллипсоиду так, что изображение малого участка на цилиндре подобно соответствующему участку на эллипсоиде. Такая проекция называется конформной или равноугольной; в ней углы не искажаются, а длины линий искажаются по закону:

 

Для территории нашей страны искажения длин линий находятся в допустимых пределах для карт масштабов 1/10000 и мельче; для карт масштаба 1/5000 и крупнее приходится применять трехградусные зоны Гаусса.

Поверхность цилиндра разрезается и развертывается на плоскости; при этом осевой меридиан и экватор изображаются в виде двух взаимно перпендикулярных прямых линий. В точку их пересечения помещают начало прямоугольных координат зоны. За ось OX принимают изображение осевого меридиана зоны (положительное направление оси OX - на север), за ось OY принимают изображение экватора (положительное направление оси OY - на восток). При координате Y впереди пишут номер зоны; для исключения ее отрицательных значений условились, что в начале координат значение координаты Y равно 500 км.

План и карта

Географическая карта – уменьшенное, обобщённое изображение земной поверхности на плоскости, построенное по определённому математическому закону в принятой системе обозначений. Картографическое изображение, построенное без учёта кривизны поверхности Земли, называют планом. Все карты делят на: топографические (общегеографические), тематические, специальные (технические) Задачи общегеографической карты: научный анализ закономерностей размещения, взаимодействия и прогноза развития природных явлений; территориальная организация общества; проведение экспедиционных работ (ориентирование на местности); составление тематических карт самого различного содержания. Чем меньше знаменатель численного масштаба, тем крупнее масштаб. Планы составляют в крупных масштабах, а карты — в мелких. В картах учитывается «шарообразность» земли, а в планах — нет. Из-за этого планы не должны составляться для территорий площадью свыше 400 км² (то есть участков земли примерно 20×20 км)

Уменьшенное изображение на бумаге горизонтальной проекции небольшого участка местности называется планом. На плане местность изображается без заметных искажений, так как небольшой участок поверхности относимости можно принять за плоскость.

Если участок поверхности относимости, на который спроектирована местность, имеет большие размеры, то при изображении его на плоскости неизбежны заметные искажения длин линий, углов, площадей. Просто развернуть на плоскость участок сферы или эллипсоида без разрывов и складок нельзя, поэтому приходится прибегать к помощи математики.

Математически определенный способ изображения поверхности сферы или эллипсоида на плоскости называется картографической проекцией; каждой точке Mo (φ, λ или B, L) изображаемой поверхности соответствует одна точка M (x, y) плоскости. Аналитически картографическая проекция задается двумя уравнениями x = f₁(φ, λ), y = f₂(φ, λ), где f₁ и f₂ - функции независимые, непрерывные, однозначные и конечные.

Картографические проекции классифицируются по:

характеру искажений (равноугольные, равновеликие и произвольные),

виду сетки меридианов и параллелей (азимутальные, цилиндрические, псевдоцилиндрические, конические, псевдоконические, поликонические),

положению полюса сферических координат (нормальные, поперечные, косые).

Картой называется уменьшенное изображение на бумаге горизонтальной проекции участка земной поверхности в принятой картографической проекции, то-есть, с учетом кривизны поверхности относимости. В нашей стране топографические карты составляются в поперечно-цилиндрической равноугольной проекции Гаусса.

Масштабом карты (плана) называется отношение длины отрезка на карте (плане) к горизонтальной проекции соответствующего отрезка на местности.

По своему назначению все географические карты делятся на общегеографические и тематические. На общегеографических картах показывают рельеф, гидрографию, растительный покров, населенные пункты, пути сообщения, различные границы и другие объекты природного, хозяйственного и культурного назначения.

На тематических картах изображают размещение, сочетание и связи различных природных и общественных явлений; известны геологические, климатические, ландшафтные, экологические карты, карты полезных ископаемых, карты размещения производительных сил, карты населения, исторические, учебные, туристические и др.

Крупномасштабные (масштаба 1:1 000 000 и крупнее) общегеографические карты называются топографическими. Они издаются в виде отдельных листов размером примерно 40 см x 40 см.

 

Свойства карты

При всем поразительном разнообразии существующих карт большинству из них присущи некоторые общие черты. Даже контурные карты, максимально разгруженные для того, чтобы учащиеся могли наносить на них дополнительную информацию по своему выбору, обычно имеют градусную сетку координат, масштаб и элементы основы (например, береговые линии). Кроме того, на карты обычно нанесены надписи и условные знаки, и к ним прилагается легенда.

Сетка координат представляет собой систему взаимно пересекающихся линий, обозначающую на карте или поверхности глобуса широту и долготу. Линии, обозначающие широту, проходят в направлении восток – запад параллельно экватору (широта которого равна 0°); широта полюсов считается равной 90° (северной широты для Северного полюса и южной – для Южного). Поскольку эти линии не пересекаются и взаимно параллельны, они также называются параллелями. Из них только экватор представляет собой самый большой круг (ограниченная этой линией плоскость, проходящая через центр Земли, рассекает земной шар пополам). Остальные параллели – это окружности, длина которых закономерно убывает с удалением от экватора. Все линии долготы – меридианы – представляют собой половинки большого круга, сходящиеся у полюсов. Меридианы проходят в направлении север – юг, от полюса до полюса; по ним отсчитывается угловое расстояние от начального меридиана, обозначаемого как 0° долготы, на восток и на запад до 180° (при этом долготы, которые отсчитываются в восточном направлении, обозначаются буквами «в.д.», а в западном – «з.д.»). В отличие от экватора, равноудаленного от полюсов на всем протяжении и являющегося в этом смысле «естественной» точкой отсчета при определении широты, начальный меридиан, от которого ведется отсчет долготы, выбирается произвольно. В соответствии с международным соглашением за начало координат (0° долготы) принят меридиан Гринвичской астрономической обсерватории (сейчас она находится на территории Лондона). Однако до того, как было достигнуто это соглашение, некоторые картографы использовали в качестве начальных меридианы Канарских или Азорских о-вов, Парижа, Филадельфии, Рима, Токио, Пулкова и пр.

На поверхности глобуса линии параллелей и меридианов пересекаются под углом 90°; что касается карт, то на них такое соотношение сохраняется лишь в некоторых случаях. Как на картах, так и на глобусах обычно наносится определенная система меридианов и параллелей (проведенных через 5°, 10°, 15° или 30°). В дополнение к этому на картах и на глобусах показывают Северный тропик, или тропик Рака (231/2° с.ш.), Южный тропик, или тропик Козерога (231/2° ю.ш.), Северный полярный круг (661/2° с.ш.) и Южный полярный круг (661/2° ю.ш.). Часто на карты наносится также международная Линия перемены даты, которая в основном совпадает со 180° долготы.

Требования предъявляемые к картам и планам.

1. Точность - это соответствие местоположения очертания и размеров объектов ситуаций рельефа их действительным размерам на местности.

2. Полнота – это возможная подробность и детальное изображение объектов и сведений не затрудняющее чтение карты.

3. Достоверность – соответствие и правдоподобие сведений действительности изображенной на карте.

4. Наглядность – свойства передачи для зрительного восприятия, её характерные черты и особенности.

 

Классификация карт

Карты подразделяются на группы по ряду признаков – масштабу, тематике, территориальному охвату, проекции и т.д.

Простые охватывают карты поверхности земли, полушарий, материков, по масштабу – крупномасштабные (1/100000 и кр.) среднемасштабные (1/200000,1/500 тыс 1/1 млн) мелкомасштабные (1/1 млн и бл).

По содержанию – общегеографические - отображаются совокупность всех элементов местности. Тематические - основы создания которой является отображаемая конкретная тема.

Топографические карты и планы – назначение – научно-справочные учебные, морская навигация, дорожные, кадастровые, туристские. Топографические карты и планы имеют многоцелевое назначение, поэтому элементы местности на них показываются с одинаковой подробностью.

Крупномасштабные карты являются основными, поскольку предоставляют первичную информацию, используемую при составлении карт средних и мелких масштабов. Наиболее обычными из них являются топографические карты масштаба крупнее 1:250 000.

На современных топографических картах рельеф обычно показывается при помощи изогипс, или горизонталей, которыми соединяются точки, имеющие одинаковую высоту над нулевым уровнем (обычно это уровень моря). Совокупность таких линий дает очень выразительную картину рельефа земной поверхности и позволяет определить следующие характеристики: угол наклона, профиль склона и относительные превышения. Помимо изображения рельефа топографические карты содержат и другую полезную информацию. Обычно на них показывают транспортные магистрали, населенные пункты, политические и административные границы. Набор дополнительной информации (например, распространение лесов, болот, незакрепленные песчаные массивы и пр.) зависит от назначения карт и характерных черт местности.

Как крупномасштабные топографические, так и среднемасштабные карты обычно выпускаются комплектами, каждый из которых отвечает определенным требованиям. Большинство среднемасштабных издается для нужд регионального планирования или навигации. Наибольшим территориальным охватом отличаются среднемасштабные Международная карта мира и аэронавигационные карты США. Оба комплекта карт выпускаются в масштабе 1:1 000 000 – наиболее распространенном для среднемасштабных карт. При подготовке Международной карты мира каждая страна на свою территорию выпускает карты, подготовленные в соответствии с заданными общими требованиями. Эта работа координируется ООН, однако многие карты уже устарели, а другие еще не завершены. Содержание Международной карты мира в основном соответствует содержанию топографических карт, но отличается большей генерализацией. То же самое относится и к аэронавигационным картам мира, но на большинство листов этих карт нанесена дополнительная специальная нагрузка. Аэронавигационные карты покрывают всю сушу. В среднем масштабе составляются также некоторые морские или гидрографические карты, на которых особое внимание уделяется изображению водоемов и береговой линии. Некоторые административные и дорожные карты также имеют средний масштаб. Мелкомасштабные, или обзорные, карты. На картах мелкого масштаба показывается вся поверхность земного шара или значительная ее часть. Трудно точно обозначить границу между мелко- и среднемасштабными картами, однако масштаб 1:10 000 000 определенно относится к обзорным картам. Большинство карт атласов имеет мелкий масштаб, причем тематически они могут быть очень разными. Почти все выше обозначенные группы объектов могут быть отражены и на мелкомасштабных картах при условии достаточной генерализации информации. Кроме того, в мелком масштабе составляются карты распространения различных языков, религий, сельскохозяйственных культур, климатические и т.д. В качестве наглядного примера специальных мелкомасштабных карт, хорошо знакомых миллионам людей, можно указать карты погоды.

Мультипликационные и компьютерные карты. Для мультипликационных карт, которые можно проецировать на телеэкран, вводится четвертая координата – время, позволяющая проследить динамику картографируемого объекта. Компьютерная картография достигла сейчас такой ступени развития, что практически все операции могут выполняться в цифровой форме. В результате существенно облегчается внесение всевозможных исправлений и уточнений. Этот метод создания карт любых типов и масштабов, включая карты-мультипликации, обозначается специальным термином «географические информационные системы» (ГИС).