Картографические проекции.

3. И наконец заключительным этапом создания карты является отображение уменьшенной поверхность эллипсоида на плоскости, т.е. применение картографической проекции (математический способ изображения на плоскости пов-ти эллипсоида.).

Поверхность эллипсоида нельзя без искажения развернуть на плоскость. Поэтому она проецируется на фигуру, которую можно развернуть на плоскость (Рис). При этом возникают искажения углов между параллелями и меридианами, расстояний, площадей.

Существует несколько сотен проекций, которые используются в картографии. Разберем далее их основные типы, не вдаваясь во все многоообразие деталей.

В соответствии с типом искажений проекци деляться на:

1. Равноугольные (конформные) – проекции, не искажающие углов. При этом сохраняется подобие фигур, масштаб изменяется с изменением широты и долготы. Отношение площадей не сохраняется на карте.

2. Равновеликие (эквивалентные) – проекции, на которых масштаб площадей везде одинаков и площади на картах пропорциональны соответствующим площадям на Земле. Однако масштаб длин в каждой точке разный по разным направлениям. не сохраняются равенство углов и подобие фигур.

3. Равнопромежуточные проекции- проекции, сохраняющие постоянство масштаба по одному из главных направлений.

4. Произвольные проекции - проекции, не относящиеся ни к одной из рассмотренных групп, но обладающие какими-либо другими, важными для практики свойствами, называются произвольными.

Рис. Проецирование эллипсоида на фигуру, разворачиваемую в плоскость.

В зависимости от того на какую фигуру проецируется поверхность эллипсоида (цилиндр, конус или плоскость) проекции делятся на три основных типа: цилиндрические, конические и азимутальные. Тип фигуры, на которую проецируется эллипсоид определяет вид параллелей и меридианов на карте.

Рис. Различие проекций по типу фигур на которую проецируется поверхность эллипсоида и вид разверток этих фигур на плоскости.

В свою очередь в зависимости от ориентации цилундра либо конуса относительно эллипсоида цилиндрические и конические проекции могут быть: прямыми - ось цилиндра или конуса совпадает с осью Земли, поперечными - ось цилиндра или конуса перпендикулярна оси Земли и косыми - ось цилиндра или конуса наклонена к оси Земли под углом, отличным от 0° и 90°.

Рис. Различие проекций по ориентации фигуры на которую проецируется эллипсоид относительно Земной оси.

Конус и цилиндр могут либо касаться поверхности эллипсоида, либо пересекать ее. Взависимости от этого проекция будет касательная или секущая. Рис.

Рис. Касательная и секущая проекции.

Нетрудно заметить (рис), что длина линии на эллипсоиде и длина линии на фигуре которую он проецируется будет одна и таже вдоль экватора, касательной к конусу для касательной проекции и вдоль секущих линий конуса и цилиндра при секущей проекции.

Т.е. для этих линий масштаб карты будет точно соответствовать масштабу эллипсоида. Для остальных точек карты масштаб будет несколько больше или меньше. Это необходимо учитывать при нарезке листов карты.

Касательная к конусу для касательной проекции и секущие конуса и цилиндра для секущей проекции называются стандартными параллелями.

Для азимутальной проекции также существует несколько разновидностей.

В зависимости от ориентации касательной к эллипсоиду плоскости азумутальная проеция может быль полярной, экваториальной или косой (рис)

Рис. Виды Азимутальной проекции по положению касательной плоскости.

В зависимости от положения воображаемого источника света, который проецирует эллипсоид на плоскость – в центре эллипсоида, на полюсе, или на бесконечном удалении различают гномоническую[5] (цетрально-перспективную), стереографическую и ортографическую проекции рис

Рис. Виды азимутальной проеции по положению воображаемого источника света.

Географические координаты любой точки эллипсоида остаются неизменными при любом выборе картографической проекции (определяются только выбранной системой «географических» координат). Однако наряду с географическими, для проекций эллипсоида на плоскости используют так называемые спроектированная системы координат. Это прямоугольные системы координат - с началом координат в определенной точке, чаще всего имеющей координаты 0,0. Координаты в таких системах измеряются в единицах длины (метрах). Более подробно об этом речь пойдет ниже при рассмотрении конкретных проекций. Часто при упоминании о системы координат слова «географические» и «спроецированная», опускают, что приводит к некоторой путанице. Географические координаты определяются выбранным эллипсоидом и его привязками к геоиду, «спроецированные» - выбранным типом проекции уже после выбора эллипсоида. В зависимости от выбранной проекции одним «географическим» координатам могут соответствовать разные «спроецированные». И наобоот одним и тем же «спроецированным» координатам могут соответствовать разные «географические», если проекция применена к разным эллипсоидам. На картах могут обозначаться одновременно как те так и другие координаты и «спроецированные» тоже являются географическими, если понимать дословно, что они описывают Землю. Подчеркнем, еще раз, что принципиальным является то, что «спроецированные» координаты связаны с типом проекции и измеряются, в единицах длины (метрах), а «географические» не зависят от выбранной проекции.

Рассмотрим теперь более детально две картографические проекции, наиболее важные для практической работе в археологии. Это проекция Гаусса-Крюгера и проекция Universal Transverse Mercator (UTM) – разновидности равноугольной поперечно (transverse)-цилиндрической проекции. Проекцию называют по имени флпмпндского картографа Меркатора[6], впервые применившему прямую цилиндрическую проекцию при создании карт.

Первая из этих проекций была разработана немецким математиком Карлом Фридррихом Гауссом в 1820-30 гг. для картографирования Германии - так называемой ганноверской триангуляции. Как истинно великий математик, он решил эту частную задачу в общем виде и сделал проекцию, пригодную для картографирования всей Земли. Математическое описание проекции было опубликовано в 1866 г. В 1912-19 гг. другой немецкий математик Крюгер Иоганнес Генрих Луис провел исследование этой проекции и разработал для нее новый, более удобный математический аппарат. С этого времени проекция называется по их именам - проекцией Гаусса-Крюгера

Проекция UTM была разработана после Второй Мировой Войны, когда страны НАТО пришли к согласию, что необходима стандартная пространственная система координат. Так как каждая из армий стран НАТО использовала свою собственную пространственную систему координат, было невозможным точно координировать военные перемещения между странами. Опрделение параметров системы UTM было опубликовано Армией США в 1951 г.

Для получения картографической сетки и составления по ней карты в проекции Гаусса-Крюгера поверхность земного эллипсоида разбивают по меридианам на 60 зон по 6° каждая. Как нетрудно заметить это соответствует разбиению Земного шара на 6°-е зоны при построении карты масштаба 1:100000. Зоны нумеруются с запада на восток, начиная с 0°: зона 1 простирается с меридиана 0° до меридиана 6°, ее центральный меридиан 3°. Зона 2 - с 6° до 12°, и т. д. Нумерация номенклатурных листов начинается с 180°, например, лист N-39 находится в 9-й зоне.

Для связи долготы точки λ и номера n зоны в которой точка находится можно использовать соотношения:

в Восточном полушарии n = (целая часть от λ/ 6°) + 1, где λ – градусы восточной долготы

в Западном полушарии n = (целая часть от (360-λ)/ 6°) + 1, где λ – градусы западной долготы.

Рис. Разбиение на зоны в проекции Гауса-Крюгера.

Далле каждая из зон проектируется на поверхность цилиндра, а цилиндр разрезается по образующей и разворачивается на плоскость. Рис

Рис. Система координат в пределах 6 градусных зон в проекциях ГК и UTM.

В проекции Гаусса-Крюгера цилиндр касается эллипсоида по центральному меридиану и масштаб вдоль него равен 1. рис

Для каждой зоны отсчет координат X, Y ведется в метрах от начала координат зоны, причем Х расстояние от экватора (по вертикали!), а Y- по горизонтали. Вертикальные линии сетки параллельны центральному меридиану. Начало координат смещено, от центрального меридиана зоны на запад (или центр зоны смещен на восток, для обозначения этого смещения часто используют английский термин – «false easting») на 500000 м для того, чтобы координата Х была положительной во всей зоне т. е. координата X на центральном меридиане равна 500 000 м.

В южном полушарии в тех же целях вводится северное смещение (false northing) 10 000 000 м.

Координаты записыватся в виде Х=1111111.1 м, Y=6222222,2 м либо

X_s=1111111.0 м, Y=6222222,2 м

X_s - означает, что точка в южном полушарии

6 – первая или две первые цифры в Y координате (соответственно всего 7 или 8 цифр до запятой) означают номер зоны. (Санкт-Петербург, Пулково -30 град 19 минут восточной долготы 30:6+1=6 - 6 зона).

В проекции Гаусса–Крюгера для эллипсоида Красовского составлены все топографические карты СССР масштаба 1:500000 и крупнее применение этой проекции в СССР началовсь в 1928 году.

2. Проекция UTM в целом аналогична проеции Гаусса-Крюгера, однако нумерация 6-градусных зон ведется по другому. Отсчет зон происходит от 180 меридиана на восток, таким образом номер зоны в проекции UTM на 30 больше, чем системе координат Гаусса-Крюгера (Санкт-Петербург, Пулково -30 град 19 минут восточной долготы 30:6+1+30=36 - 36 зона).

Кроме того UTM - это проекция на секущий цилиндр и масштаб равен единице вдоль двух секущих линий, отстоящих от центрального меридиана на 180 000 м.

В проекции UTM координаты приводятся в виде: Северное полушарие, 36 зона, N (северное положение)=1111111.1 м, E (восточное положение)=222222.2м. Начало координат каждой зоны также смещено на 500000 м на запад от центрального меридиана и на 10000000 на юг от экватора для южного полушария.

В проекции UTM составлены современные карты многих стран Европы.

Сравнение проекций Гаусса-Крюгера и UTM приведено в таблице

Параметр	UTM	Гаус-Крюгер
Величина зоны	6 градусов	6 градусов
Нулевой меридиан	-180 градусов	0 градусов (Гринвич)
Масштаб коэф = 1	Секущие на расст 180 км от центр.меридиана зоны	Центральный меридиан зоны.
Центральный меридиан иоответствующая ему зона	3-9-15-21-27-33-39-45 и.т.д 31-32-33-34-35-35-37-38-…	3-9-15-21-27-33-39-45 и.т.д 1-2-3-4-5-6-7-8-…
Соответствующая центр мердиану зона	31 32 33 34
Масштабный коэфф. по центральному меридиану	0,9996
Ложный восток (м)	500 000	500 000
Ложный север (м)	0 – северное полушарие	0 – северное полушарие
	10 000 000 – южное полушарие	10 000 000 – южное полушарие

Забегая вперед следует отметить, что большинство GPS навигаторов может показывать координаты в поекции UTM, но не могут в проекции Гаусса-Крюгера для эллипсода Красовского (т.е. в системе координат СК-42).

Каждый лист карты или плана имеет законченное оформление[7]. Основными элементами листа являются: 1) собственно картографическое изображение участка земной поверхности, координатная сетка; 2) рамка листа, элементы которой определены математической основой; 3) зарамочное оформление (вспомогательное оснащение), которое включает данные, облегчающие пользование картой.

Картографическое изображение листа ограничивается внутренней рамкой в виде тонкой линии. Северная и южная стороны рамки - отрезки параллелей, восточная и западная - отрезки меридианов, значение которых определяется общей системой разграфки топографических карт. Значения долготы меридианов и широты параллелей, ограничивающих лист карты, подписываются возле углов рамки: долгота на продолжении меридианов, широта на продолжении параллелей.

На некотором расстоянии от внутренней рамки вычерчивается так называемая минутная рамка, на которой показаны выходы меридианов и параллелей. Рамка представляет собой двойную линию, расчерченную на отрезки, соответствующие линейной протяженности 1' меридиана или параллели. Количество минутных отрезков на северной и южной сторонах рамки равно разности значений долготы западной и восточной сторон. На западной и восточной сторонах рамки количество отрезков определяется разностью значений широты северной и южной сторон.

Завершающим элементом является внешняя рамка в виде утолщенной линии. Часто она составляет одно целое с минутной рамкой. В промежутках между ними дается разметка минутных отрезков на десятисекундные, границы которых отмечены точками. Это упрощает работу с картой.

На картах масштаба 1: 500 000 и 1: 1 000 000 дается картографическая сетка параллелей и меридианов, а на картах масштаба 1: 10 000 - 1: 200 000 - координатная сетка, или километровая, так как линии ее проводятся через целое число километров (1 км в масштабе 1: 10 000 - 1: 50 000, 2 км в масштабе 1: 100 000, 4 км в масштабе 1: 200 000).

Значения километровых линий подписываются в промежутках между внутренней и минутной рамками: абсциссы на концах горизонтальных линий, ординаты на концах вертикальных. У крайних линий указываются полные значения координат, у промежуточных - сокращенные (только десятки и единицы километров). Кроме обозначений на концах часть километровых линий имеет подписи координат внутри листа.

Важным элементом зарамочного оформления являются сведения о среднем на территорию листа карты магнитном склонении, относящиеся к моменту его определения, и годовом изменении магнитного склонения, которые помещают на топографических картах масштаба 1:200 000 и крупнее. Как известно магнитный и географический полюса не совпадают и стрелка копмаса показывает направление несколько отличающееся от на правленя на географический пояс. Величину этого отклонения и называют магнитным склонением. Оно может быть восточное, либо западное. Прибавив к величине магнитного склонения годовое изменение магнитного склонения, умноженное на число лет пошедщих с момента создания карты до текущего момента определить магнитное склонение на текущий момент.

В заключении темы об основах картографии остановимся кратко на истории картографии в России.

Первые карты с отображенной географической системой координат (карты России Ф. Годунова (издана в 1613г.), Г. Геритса, И. Массы, Н. Витсена) появились в XVII веке.

В соответствии с законодательным актом русского правительства (боярским “приговором”) от 10 января 1696 «О снятии чертежа Сибири на холсте с показанием в оном городов, селений, народов и расстояний между урочищами» С.У. Ремизовым (1642-1720) создается огромное (217х277 см) картографическое произведение «Чертеж всех сибирских градов и земель», ныне находится в постоянной экспозиции Государственного Эрмитажа. 1701 г. - 1 января – дата, стоящая на первом титульном листе Атласа России Ремизова.

В 1726-34 гг. выходит в свет первый Атлас Всероссийской Империи, руководителем работ по созданию которого был обер-секретарь Сената И. К. Кириллов. Атлас был издан на латинском языке, и состоял из 14 специальных и одной генеральной карты под заглавием "Atlas Imperii Russici". В 1745 году был издан "Атлас Всероссийский". Первоначально работами по составлению атласа руководил академик, астроном И. Н. Делиль, представивший в 1728 г. проект составления атласа Российской империи. Начиная с 1739 года выполнение работ по составлению атласа осуществлял учрежденный по инициативе Делиля Географический департамент Академии Наук, задачей которого было составление карт России. Атлас Делиля включает комментарии к картам, таблицу с географическими координатами 62 городов России, легенду карт и сами карты: Европейской России на 13 листах при масштабе 34 версты в дюйме (1:1428000), Азиатской России на 6 листах в меньшем масштабе и карту всей России на 2-х листах в масштабе около 206 верст в дюйме (1:8700000) Атлас издан в виде книги параллельными изданиями на русском и латинском языках с приложением Генеральной Карты.

При создании атласа Делиля большое внимание уделялось математической основе карт. Впервые в России проводилось астрономическое определение координат опорных пунктов. В таблице с координатами указан способ их определения – "по достоверным основаниям" либо "при сочинении карты" В течение XVIII века в общей сложности было сделано 67 полных астрономических определений координат, относящихся к наиболее важным городам России, а также выполнено 118 определений пунктов по широте. На территории Крыма были определены 3 пункта.

Со второй половины XVIII в. роль главного картографо-геодезического учреждения России постепенно стало выполнять Военное ведомство

В 1763 г. был создан Особый Генеральный штаб. Туда были отобраны несколько десятков офицеров, которыеофицеры командировались для снятия районов расположения войск, маршрутов их возможного следования, дорог, по которым проходили сообщения воинскими подразделениями. По сути эти офицеры были первыми российскими военными топографами, которые выполнили первичный объем работ по картографированию страны.

В 1797 г. было учреждено Депо карт. В декабре 1798 г. Депо получило право контроля над всеми топографическими и картографическими работами в империи, а в 1800 г. к нему был присоединен Географический департамент. Все это сделало Депо карт центральным картографическим учреждением страны. В 1810 г. Депо карт перешло в ведение военного министерства.

8 февраля (27 января по старому стилю) 1812 г., когда было высочайшее утверждено «Положение для Военного Топографического Депо» (далее ВТД), в которое Депо карт вошло как особое отделение – архив военно-топографического депо. Приказом Министра обороны Российской Федерации от 9 ноября 2003 г. становлена дата годового праздника ВТУ ГШ ВС РФ – 8 февраля.

В мае 1816 г. ВТД было введено в состав Главного штаба, при этом директором ВТД назначался начальник Главного штаба. С этого года ВТД (независимо от переименований) постоянно находится в составе Главного или Генерального штаба. ВТД руководило созданным в 1822 году Корпусом топографов (после 1866 года -Корпусом военных топографов)

Важнейшими результатами работ ВТД на протяжении почти целого столетия после его создания являются три большие карты. Первая - специальная карта европейской России на 158 листах, размером 25х19 дюймов, в масштабе 10 верст в одном дюйме (1:420000). Вторая - военно-топографической карты Европейской России в масштабе 3 версты в дюйме (1:126000), проекция карты коническая Бонна, долгота считается от Пулково.

Третья - карта Азиатской России на 8 листах размером 26х19 дюймов, в масштабе 100 верст в дюйме (1:42000000). Кроме этого для части России, особенно для приграничных районов были подготовлены карты в полуверстовом (1:21000) и верстовом (1:42000) масштабе (на эллипсоиде Бесселя и проекции Мюфлинга).

В 1918 г. в состав созданного Всероссийского Главного штаба вводится Военно-топографическое управление (правопреемник ВТД), которое в дальнейшем до 1940 г. принимало разные названия. В подчинении этого управления на ходится и корпус военных топографом. С 1940 г. по настоящее время оно именуется «Военно-топографическое управление Генерального штаба Вооруженных Сил»[8].

В 1923 года Корпус военных топографов был преобразован в военно-топографическая службу.

В 1991 году, была образована Военно-топографическая служба Вооружённых сил России, которая в 2010 году была преобразована в Топографическую службу Вооружённых сил Российской Федерации.

Следует сказать так же о возможности использования топографических карт в исторических исследованиях. Мы будем говорить только о топографических картах, созданных в XVII веке и позднее, построение которых опиралось на математические законы и специально проводившееся систематическое обследование территории.

Общие топографические карты отражают физическое состояние местности и ее топонимику на момент составления карты.

Карты мелких масштабов (более 5 верст в дюйме – мельче 1:200000) возможно использовать для локализации указанных на них объектов, лишь с большой неопределенностью в координатах. Ценность содержащейся информации в возможности выявления изменения топонимики территории, главным образом при ее сохранении. Действительно, отсутствие топонима на более поздней карте может свидетельствовать об исчезновении объекта, изменении названия, либо просто о его ошибочном обозначении, в то же время как его наличие будет подтверждать более старую карту причем, как правило, в таких случаях возможна более точная локализация..

Карты крупных масштабов дают наиболее полную информацию о территории. Они могут быть непосредственно использованы для поиска обозначенных на них и сохранившихся до настоящего времени объектов. Развалины построек являются одним из элементов, входящим в легенду топографических карт, и, хотя, лишь немногие из обозначенных развалин относятся к памятникам археологии, их идентификация является вопросом, заслуживающим рассмотрения.

Координаты сохранившихся объектов, определенные по топографическим картам СССР, либо путем непосредственных измерений при помощи глобальной космической системы местоопределения (GPS), могут быть использованы для привязки старых карт к современным системам координат. Однако даже карты начала-середины XIX века могут на отдельных участках территории содержать значительные искажения пропорций местности и процедура привязки карт состоит не только из соотнесений начал отсчета координат, но требует неравномерного растяжения или сжатия отдельных участков карты, которое осуществляется на основе знания координат большого количества опорных точек (так называемая трансформация изображения карты).

После проведения привязки, возможно, осуществить сравнение знаков на карте, с объектами присутствующими на местности в настоящее время, либо существовавшими в периоды предшествующие или последующие времени ее создания. Для этого необходимо производить сопоставление имеющихся карт разных периодов и масштабов.

Крупномасштабные топографические карты XIX века представляются весьма полезными при работе с межевыми планами XVIII - XIX веков, как связующее звено между этими планами и крупномасштабными картами СССР. Межевые планы составлялись во многих случаях без обоснования на опорных пунктах, с ориентировкой по магнитному меридиану. В силу изменений характера местности, вызванных природными факторами и деятельностью человека, непосредственное сопоставление межевых и прочих детальных планов прошлого века и карт XX века не всегда возможно, однако сопоставление детальных планов прошлого века с современной им топографической картой представляется более простым.

Еще одна интересная возможность применения крупномасштабных карт их использование для изучения изменений контуров берега. За последние 2,5 тысячи лет уровень, например, Черного моря повысился, как минимум на несколько метров. Даже за прошедшие с момента создания первых карт Крыма в ВТД два столетия, положение береговой линии в ряде мест могло сместиться на расстояние от нескольких десятков до сотен метров, главным образов вследствие абразии. Такие изменения вполне соизмеримы с размерами достаточно крупных по античным меркам поселений. Выявление поглощенных морем участков территории может способствовать открытию новых археологических памятников.

Естественно, что основными источниками по территории Российской империи для указанных целей, могут выступать трехверстная и верстовая карты. Использование геоинформационных технологий позволяет накладывать друг на друга и привязывать их к современным картам, совмещать слои крупномасштабных топографических карт различного времени и далее дробить их на планы. Причем планы создаваемые сейчас, как и планы XX века, окажутся привязанными к планам XIX века.

[1] Современные значения параметров Земли: Экваториальный радиус, 6378 км. Полярный радиус, 6357 км. Средний радиус Земли, 6371 км. Длина экватора, 40076 км. Длина меридиана, 40008 км...

[2] Здесь, конечно, надо учитывать, что величина самого «стадия» вопрос дискуссионный.

[3] Диоптр - прибор, служащий для направления (визирования) известной части угломерного инструмента на данный предмет. Направляемая часть снабжается обыкновенно двумя Д. - глазным, с узким прорезом, и предметным, с широким прорезом и волоском, натянутым посередине (http://www.wikiznanie.ru/ru-wz/index.php/Диоптр).

[4] По материалам сайта http://ru.wikipedia.org/wiki/Советская _система_разгравки_и_номенклатуры_топографических_карт#cite_note-1

[6] Герхард Меркатор (1512 - 1594) — латинизированное имя Герарда Кремера (и латинская, и германская фамилии означают «купец»), фламандского картографа и географа.

[7] Описание зарамочного оформления приводится по работе: «Топография с основами геодезии». Под ред. А.С.Харченко и А.П.Божок. М - 1986

[8] С 1938 года в течении 30 лет ВТУ (при Сталине, Маленкове, Хрущеве, Брежневе) возглавлял генерал М.К.Кудрявцев. Никто на подобной должности ни в одной армии мира такое время не держался.

Дата добавления: 2015-06-04