Номер зоны гаусса крюгера. Понятие о картографических проекциях. Классификация проекций. Равноугольная поперечная цилиндрическая проекция Гаусса. Общеземная координатная система

Чтобы изобразить земную поверхность на плоскости, вначале переходят от ее физической формы к математической, в качестве которой принимают поверхность эллипсоида вращения (сфероида) или шара, и только затем математическую поверхность Земли изображают на плоскости.

Так как без искажений поверхность шара (или эллипсоида) изобразить на плоскости невозможно, то строят условные изображения земной поверхности, основанные на некоторых заранее принятых математических зависимостях между координатами точек на шаре и их изображениями на плоскости. Такие способы условного изображения земной поверхности на плоскости называют картографическими проекциями.

Разработаны различные виды проекций по характеру искажений. В одних проекциях искажаются все элементы - горизонтальные углы, линии, но сохраняется отношение площадей. Такие проекции называют равновеликими (эквивалентными). В других не искажаются углы, вследствие чего сохраняется подобие бесконечно малых фигур. Такие проекции называют равноугольными (конформными). Для составления топографических карт на территории б. СССР с 1928 г. принята равноугольная проекция Гаусса-Крюгера.

Применяя проекцию Гаусса-Крюгера, всю земную поверхность делят меридианами на шести- или трехградусные зоны (рис. 11.1, а). Это вызвано тем, что при большом удалении точки осевого меридиана получают большие искажения в этой точке на карте. Выбор зоны шириной и 3 или 6° долготы зависит от масштаба составляемой карты. При составлении карты в масштабе 1:10 000 или мельче применяют шестиградусную зону, а при составлении карты в масштабе 1: 5000 или крупнее - трехградусную.

Шестиградусные зоны нумеруют арабскими цифрами, начиная от гринвичского меридиана, с запада на восток. Так как западная граница первой зоны совпадает с гринвичским (начальным) меридианом, то долготы осевых меридианов зон будут: 3, 9, 15, 21 o … Долготу осевого меридиана можно определить по формуле:

Всего на территории б. СССР создано 29 шестиградусных зон с номерами от 4 по 32 и соответственно установлено 29 осевых меридианов со стандартными долготами 21, 27,…, 183, 189°.

Трехградусные зоны располагаются на земной поверхности так, что все осевые и граничные меридианы шестиградусных зон являются осевыми меридианами трехградусных зон. Следовательно, долготы осевых меридианов трехградусных зон кратны трем.

Системы координат в каждой зоне проекции Гаусса-Крюгера совершенно одинаковы: плоские прямоугольные координаты х и у, вычисленные по геодезическим (географическим) координатам В и L в любой координатной зоне, имеют одни и те же значения. В проекции Гаусса-Крюгера осевой меридиан, представляющий ось абсцисс (х), и экватор - ось ординат (у), изображаются взаимно перпендикулярными прямыми линиями, а остальные меридианы - кривыми, сходящимися в полюсах (рис. 11. 1,6). Все абсциссы точек в северных частях зон (к северу от экватора) положительные. Чтобы все ординаты были положительные, ко всем ординатам (отрицательным и положительным) прибавляют 500 км. Кроме того, для полного определения положения точки на земной поверхности впереди измененной ординаты пишут номер зоны. Например, в зоне 7 точки А и В имеют действительные ординаты: у А = +14 837,4 м, у в = -206368,7 м. Преобразованные ординаты будут на 7500000 м больше, т.е. у a = 7514 Х37,4 м, у в = 7293631,3 м. Абсциссы точек на всей территории России положительны, их оставляют без изменения.

Это поперечная цилиндрическая равноугольная картографическая проекция, разработанная немецкими учёными Гауссом и Крюгером. Применение этой проекции даёт возможность практически без существенных искажений изобразить довольно значительные участки земной поверхности и, что очень важно, построить на этой территории систему плоских прямоугольных координат.

В 1928 г. на III геодезическом совещании для всех геодезических и топографических работ в СССР была принята проекция Гаусса-Крюгера на эллипсоиде Бесселя. В этой проекции начали создавать топографические карты масштабов крупнее 1:500 000, а с 1939 г. проекция Гаусса-Крюгера стала применяться и для карты масштаба 1:500 000. В апреле 1946 г. постановлением правительства были утверждены размеры референц эллипсоида Крассовского и новые исходные даты, характеризующие систему координат 1942 г.

В проекции Гаусса-Крюгера поверхность эллипсоида на плоскости отображается по меридианным зонам, ширина которых равна 6° (для карт масштабов 1:500 000-1:10 000) и 3° (для карт масштабов 1:5 000- 1:2 000). Меридианы и параллели изображаются кривыми, симметричными относительно осевого меридиана зоны и экватора, однако их кривизна настолько мала, что западная и восточная рамки карты изображаются прямыми линиями. Параллели, совпадающие с северной и южной рамками карт, изображаются прямыми на картах крупных масштабов (1:2 000-1:50 000), на картах мелких масштабов они изображаются кривыми. Начало прямоугольных координат каждой зоны находится в точке пересечения осевого меридиана зоны с экватором. В России стране принята нумерация зон, отличающаяся от нумерации колонн карты масштаба 1:1 000000 на тридцать единиц, то есть крайняя западная-зона с долготой осевого меридиана L=21 имеет номер 4, к востоку номера зон возрастают. Номер зоны N и долгота осевого меридиана L° в градусах связаны между собой равенством L° == 6N- 3.

Территория России находится в северном полушарии, поэтому координаты ^ Х всех точек имеют положительное значение. Координаты Y имеют отрицательные значения левее осевого меридиана и положительные правее его. Чтобы исключить из обращения отрицательные координаты и облегчить пользование прямоугольными координатами на топографических картах, ко всем координатам Y добавляют постоянное число 500 000 м. Для указания зоны, к которой относятся координаты, к значению Y слева приписывают номер зоны. Например, запись координаты Y" 30 786 543 м означает, что точка находится в 30-й зоне, ее реальная координата равна 786 000- 500 000 = 286 543 м, то есть она расположена правее осевого меридиана 30-й зоны. Запись координаты Y= 8 397 720 м означает, что точка находится в 8-й зоне, ее реальная координата равна 397 720- 500 000 = 102 280 м, она расположена левее осевого меридиана 8-й зоны.

Рисунок 29. Проекция Гаусса-Крюгера

При создании любых карт важное значение имеет вопрос о выборе картографической проекции, которая обеспечит возможность оптимального решения по этим картам различных задач. Какая проекция будет использована при работе в первую очередь зависит от назначения карты и её масштаба, которыми часто обусловливается характер допускаемых искажений в избираемой проекции. Так же существуют методики по выбору проекций.

Карты крупных и средних масштабов, предназначенные для решения метрических задач, обычно составляют в равноугольных проекциях, а карты мелких масштабов, используемые для общих обозрений и определения соотношения площадей каких-либо территорий- в равновеликих. При выборе проекций начинают с простейших, затем переходят к более сложным проекциям, даже, возможно, модифицируя их.

Для изображения России удобны конические проекции, в которых воображаемый конус рассекает земной шар по параллелям 47 и 62° северной широты: на создаваемых подобным образом картах это так называемые линии нулевых искажений. Вблизи них сжатия и растяжения невелики, что удобно, поскольку между ними находятся самые густонаселённые области. Карты Северного Ледовитого океана или Антарктиды чаще всего составляются в азимутальной проекции, расположив воображаемую вспомогательную плоскость так, чтобы она касалась полюса. Тогда растяжения в полярных областях земли окажутся минимальными. В современной картографии достаточно большой набор проекций для любых карт (планета в целом, материки и океаны, страны и т. д.) и всевозможного назначения.

Для того, чтобы перейти из одной системы координат в другую используется набор параметров, которые определяют отличие эллипсоида на котором базируется одна СК от другого. Это так называемые линейные элементы трансформирования определяющие сдвиг центра масс эллипсоида относительно общеземного и угловые элементы трансформирования определяющие соответственно поворот эллипсоида относительно общеземного. Если видно, что какие то данные равномерно смещены относительно других слоев на одинаковую величину, то скорее всего используются данные находящиеся в разных системах координат.

Тема 4. ЗОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ГАУССА

4.1. РАВНОУГОЛЬНАЯ ПОПЕРЕЧНО-ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ПРОЕКЦИЯ ГАУССА

Для уменьшения неизбежных искажений, возникающих при изображении значительных территорий на плоскости, прибегают к картографированию территорий по частям. При создании топографических карт (кроме карты в масштабе 1: 1 000 000) в Украине и ряде других стран применяется равноугольная поперечная цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера.

Карл Фридрих (1777-1855) Гаусс в 1825 г. разработал теорию отображения поверхности эллипсоида вращения на плоскости с сохранением подобия в бесконечно малых частях. В 1912 г. А. Крюгер вывел рабочие формулы этой проекции.

Образуется проекция перенесением поверхности эллипсоида на боковую поверхность эллиптического цилиндра, ось которого перпендикулярна оси вращения Земли.

Рис. 4.1. Проекция Гаусса

Следовательно, проекция Гаусса составляется с учетом сжатия Земли. На один цилиндр переносится узкая полоса земной поверхности, занимающая по долготе 6°
Цилиндр касается глобуса по среднему меридиану зоны. Каждая зона соответствует колонке листов карты масштаба 1: 1 000 000 в международной разграфке, т.е. каждая зона ограничивается меридианами, кратными 6° долготы. Зоны нумеруются от Гринвичского меридиана на восток. Первая зона расположена между меридианами 0 и 6°. Всего зон - 60.
Поверхность глобуса на боковую поверхность цилиндра переносится с сохранением равенства углов на местности и на карте . Следовательно, проекция Гаусса равноугольна . Искажения длин будут возрастать по мере удаления от экватора и меридиана касания.

В каждой зоне осевой меридиан (как меридиан касания) изображается прямой линией в натуральную величину. Остальные меридианы зоны изображаются кривыми линиями, причем кривизна их увеличивается по мере удаления от осевого меридиана.
На глобусе все меридианы имеют одинаковую длину. Следовательно, все меридианы в зоне, кроме среднего, вытянуты по сравнению с соответствующими меридианами на глобусе. Экватор изображается прямой линией, а остальные параллели — кривыми. Все параллели, в том числе и экватор, растянуты пропорционально растяжению меридианов.

Рис. 4.2. Схематическое изображение зоны Гаусса на плоскости.

В проекции Гаусса максимальные искажения длин на экваторе на границе каждой зоны равны 0,137% (137 м на 100 км расстояния).
При решении многих задач геодезии такими искажениями пренебрегают и проекцию считают не только равноугольной , но и равнопромежуточной , и равновеликой , т. е. практически отсутствуют искажения углов, расстояний и площадей . Карты этой проекции принимают за план.
Каждая зона Гаусса по меридианам и параллелям делится на отдельные листы карт. Рамками листов карт являются меридианы и параллели.
В проекции Гаусса составляются топографические карты масштаба 1: 500 000 и крупнее.
На картах масштаба 1: 500 000 нанесена сетка геодезических координат, а на рамках этой карты даны выходы километровой сетки.
На картах масштаба 1: 200 000 и крупнее нанесена километровая сетка системы прямоугольных координат Гаусса.

4.2. СИСТЕМА ПЛОСКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ГАУССА

На топографических картах масштаба 1: 500 000 и крупнее кроме геодезической сетки наносится прямоугольная координатная сетка . Приняв осевой (средний) меридиан в каждой зоне за ось X (абсцисс), а экватор - за ось У (ординат), а их пересечение за начало координат, получим систему плоских прямоугольных координат Гаусса для данной зоны. В топографии и геодезии ориентирование производится по северу со счетом углов по ходу часовой стрелки. Поэтому для сохранения знаков тригонометрических функций положение осей координат в зоне Гаусса повернуто на 90° относительно осей, принятых в декартовой системе прямоугольных координат. За положительное направление осей приняты: для оси X - направление на север, для оси Y - на восток. Положение точки А в координатной зоне определяется ее расстоянием х А и y A от осей координат. На территории Украины все абсциссы (расстояния от экватора) положительны. Что касается ординат, то они в каждой зоне могли бы быть как положительными, так и отрицательными. Для удобства работы с картами условились значение ординаты Y осевого меридиана каждой зоны принимать равным 500 км , т. е. начало координат как бы вынесли к западу за пределы зоны.

Рис. 4.3. Система плоских прямоугольный координат Гаусса.

Поскольку в каждой зоне числовые значения ординат повторяются, то для того, чтобы по координатам точки можно было определить, к какой зоне она относится, к значению ординаты Y слева приписывается номер зоны.
Например, координаты точки х = 6 346 650 м , у = 4 522 800 м означают, что точка расположена к северу от экватора на расстоянии 6 346 650 м и к востоку от осевого меридиана 4-й зоны на расстоянии 22 800 м (522 800 м - 500 000 м = 22 800 м ).
Другой пример. Координаты х = 5 862 300 м , у = 15 323 500 м . Это означает, что точка расположена в 5 862 300 м к северу от экватора и в 176 500 м к западу от осевого меридиана 15-й зоны (500 000 м — 323 500 м = 176 500 м ).
Для того, чтобы значительно упростить определение прямоугольных координат, на плоскости (на карте) параллельно координатным осям (осевому меридиану и экватору) проводят прямые линии через целое число километров, поэтому прямоугольную координатную сетку часто называют километровой , а ее линии — километровыми.
Все линии километровой сетки на картах подписывают цифрами, причем линии, ближайшие к углам рамки листа карты, подписывают полным числом километров, остальные сокращенно - только последними двумя цифрами, подразумевая остальные цифры. Таким образом, подпись 6081 сверху горизонтальной километровой линии означает, что она проходит в 6081 км к северу от экватора, а подпись 4322 возле расположенной справа вертикальной километровой линии означает, что эта линия находится в 4-й зоне и проходит в 178 км западнее осевого меридиана зоны (500 км - 322 км = 178 км ).
С помощью километровой сетки можно быстро находить координаты объектов, наносить точки по координатам, указывать местоположение объектов на карте. Прямоугольные координаты точки, через которую на карте проходят линии километровой сетки получают сразу, прочитав оцифровку координатных линий на рамках карты.

Рис. 4.3. Оцифровка линий прямоугольной координатной сетки.

Координаты точек, лежащих внутри клеток сетки, определяют по координатам ближайших к точке линий сетки и приращению координат точек относительно этих линий. Приращения координат Δх и Δу измеряют с помощью циркуля-измерителя и линейного масштаба карты, суммируют с координатами километровых линий.

х А = 6 136 000 х В = 613328
у А = 7 316 000 у В = 7313450

Рис. 4.5. Положение и оцифровка линий прямоугольной координатной сетки на листе карты масштаба 1: 100 000 и определение прямоугольных координат точек

Приращения координат могут быть измерены с помощью координатомера — небольшого угольника с двумя перпендикулярными сторонами. По внутренним ребрам линеек нанесены шкалы, длины которых равны длине стороны координатных клеток карты данного масштаба. Горизонтальная шкала совмещается с нижней линией квадрата (в котором находится точка), а вертикальная шкала должна проходить через данную точку. По шкалам определяют расстояния от точки до километровых линий (рис. 6.3).

х А = 6135 350 у А = 5577 701

Рис. 4.6. Измерение прямоугольных координат точек с помощью
координатомера

Чтобы нанести на карту точку по заданным прямоугольным координатам , поступают следующим образом: по значению абсциссы x , принимая во внимание только целое число километров, находят горизонтальную координатную линию, к северу от которой будет находиться точка. По значению ординаты y аналогичным образом определяют вертикальную координатную линию, к востоку от которой будет расположена искомая точка, и находят нужный квадрат. Откладывают измерителем по линейному масштабу оставшиеся доли километров (приращения координат): по обеим горизонтальным сторонам квадрата к востоку — приращение ординаты Δу , а по обеим вертикальным линиям к северу — приращение абсциссы Δх . Через полученные точки проводят вертикальную и горизонтальную прямые, в точке пересечения которых находится заданная точка.

Для быстрого указания местоположения объекта на данном листе карты используют сокращенные координаты юго-западного угла соответствующего квадрата километровой сетки. От обозначений обеих километровых линий берут две последние цифры, напечатанные крупным шрифтом, и записывают их так, чтобы две первые цифры относились к южной стороне, а две последние — к западной стороне квадрата . Например, на рисунке 4.3 г. Крута находится в квадрате 8020, а населенный пункт Бандурка — в квадрате 8022.

Дополнительная километровая сетка наносится на границе соседних зон. Так как вертикальные километровые линии сетки параллельны своему осевому меридиану зоны, а осевые меридианы соседних зон между собой не параллельны, то при склейке двух листов карты, находящихся на стыке двух зон, вертикальные километровые линии обеих сеток будут расположены под некоторым углом друг к другу. При определении координат точек, расположенных в двух смежных зонах, необходимо координаты объектов одной зоны перевычислять в другую зону. Это трудоемкая работа, требующая наличия специальных таблиц и вычислительной техники.

Рис. 4.7. Взаимное расположение километровых линий сети смежных зон (а) и дополнительная координатная сетка (б)

Чтобы устранить это неудобство, в каждой зоне на всех листах карт, расположенных в пределах 2° к востоку и к западу от границы зоны, наносят кроме километровой сетки своей зоны также выводы километровой сетки соседней (западной или восточной) зоны в виде черточек за внешней рамкой. Подписи дополнительной сети делаются с наружной стороны внешней рамки.
Наличие дополнительной сетки на карте позволяет графически перевычислять координаты объектов (целей) одной зоны в другую зону. Чтобы построить на карте дополнительную сетку, необходимо соединить прямой линией выходы дополнительной координатной сетки с одинаковыми значениями по восточной и западной рамкам, а также по южной и северной рамкам.

4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ТОЧЕК,
ЗАДАННЫХ НА КАРТЕ

Каждый лист карт масштаба 1: 1 000 000 и крупнее ограничен меридианами и параллелями. Значения географических координат подписываются у углов рамки листа карты. Кроме того, вдоль сторон рамки показываются (в масштабе карты) изображения дуг меридианов и параллелей, соответствующие определенному числу минут широты и долготы.

Рис. 4.8. Оформление рамки листа топографической карты.

Географические координаты углов внутренней рамки листа (северо-восточного, юго-восточного, юго-западного, северо-западного) подписаны на карте .
Рамка имеет деления на отрезки, соответствующие одной минуте широты (на западной и восточной рамках) и одной минуте долготы (на северной и южной рамках). Минутные отрезки представлены на карте в виде длинных пунктиров.
Для определения по карте географических координат точки проводят ближайшую к ней с юга параллель и ближайший с запада меридиан. Искомая широта будет складываться из широты проведенной параллели и приращения широты точки относительно этой параллели. Аналогично можно получить и долготу точки. Приращения широты и долготы обычно определяют по секундным отметкам, нанесенных рядом с минутными делениями или методом интерполяции.
Чтобы определить приращения координат методом интерполяции необходимо измерить на карте длину одной минуты широты и долготы, а также расстояние от точки до ближайшей с юга параллели и от точки до ближайшего с запада меридиана. По этим данным составляются пропорции и определяются приращения координат.
Например:
На карте масштаба 1: 25 000 длина минутного штриха по долготе равна 42 мм . Расстояние от точки до ближайшего западного меридиана равно 20 мм . Найти приращение долготы в секундах.
Составляем пропорцию:

60 сек соответствует 43 мм
х сек соответствует 20 мм
х = (60×20):43 = 27,9 ≈ 28 сек

При определении географических координат точек по картам масштабов 1: 500 000 и 1: 1 000 000 применяют специальную палетку . Она представляет собой вычерченную на прозрачной бумаге систему прямых линий, расстояния между которыми соответствуют 5" широты и долготы. Такую палетку накладывают на лист карты так, чтобы линии ее, кратные целым градусам широты и долготы, совпали с соответствующими линиями картографической сетки. После этого оценивают положение определяемой точки относительно ближайших западной и южной линий палетки.

Задания и вопросы для самоконтроля

1. Какие проекции применяют для создания топографических карт в Украине?
2. В чем сущность создания проекции Гаусса?
3. Почему проекция Гаусса носит название: «Равноугольная поперечно-цилиндрическая»
4. Как изображаются меридианы и параллели в проекции Гаусса?
5. На каких участках карты проекции Гаусса искажения максимальны?
6. Для каких целей служат рамки листов карт проекции Гаусса?
7. Что принимается за оси координат (абсцисса и ордината) в системе плоских прямоугольных координат Гаусса?
8. Что означает запись значений координат: х = 6 346 650, у = 4 522 800?
9. В каких целях на топографических картах нанесена километровая сетка?
10. Как определить с помощью топографической карты плоские прямоугольные координаты заданной точки?
11. Для каких целей используют сокращенные координаты?
12. В чем состоит решение прямой геодезической задачи?
13. В чем состоит решение обратной геодезической задачи?
14. Какой порядок определения географических координат на топографической карте?

Решение геодезических задач в этой системе выполняется по простым формулам аналитической геометрии, для чего необходимо предварительно элементы поверхности эллипсоида тем или иным способом спроектировать на плоскость. Такое проецирование будет сопровождаться неизбежными искажениями, а их величина и характер зависят от вида выбранной поверхности.

Для крупномасштабного картографирования и инженерной геодезии наиболее удобны проекции, обеспечивающие наилучшее сохранение подобного изображения фигур при переходе от эллипсоида на плоскость. Это станет возможным, если земную поверхность разделить на части (зоны), а затем изобразить всю ее на плоскости. Возникающие при этом искажения будут малы и легко учитываться.

Таким требованиям отвечает принятая в СССР с 1928 года поперечно-цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера. Эту проекцию Гаусс предложил в 1825 – 1830 г.г., в 1912 году Крюгер разработал детали применения и дал рабочие формулы для вычислении в этой проекции.

Сущность проекции Гаусса-Крюгера заключается в следующем.

Поверхность земного эллипсоида разбивают меридианами на сферические двуугольники – зоны через 60 (рис 6).

Мысленно располагают такой эллипсоид в цилиндре так, чтобы осевой меридиан первой зоны касался боковой поверхности цилиндра (рис.7).

Ось цилиндра «y» располагается поперек малой оси эллипсоида (поэтому проекция называется поперечно-цилиндрической), а ось «x», в отличие от математики, в геодезии располагается на север. Из центра эллипсоида все точки(T,E,Z,M,K…) шестиградусной зоны проектируют по отвесным линиям на боковую поверхность цилиндра (t,e,Z,m,k…). Затем вращательно-поступательно перемещают эллипсоид в цилиндре таким образом, чтобы осевой меридиан второй зоны касался боковой поверхности цилиндра и все точки на граничных меридианах этой зоны проектируют аналогично. И так далее проектируют все 60 зон эллипсоида.

Разрезав цилиндр по образующим АА1 и ВВ1 и развернув половину его боковой поверхности, получают изображение земной поверхности на плоскости в виде отдельных зон, соприкасающихся одна с другой лишь в точках по экватору. (Рис. 8).

Ось цилиндра и линия экватора лежат в одной плоскости и после развертки изобразятся прямой линией - ось «y». Ось «x» располагается перпендикулярно оси «y», совпадает с осевым меридианом зоны и малой осью эллипсоида. Таким образом, осевой меридиан и экватор изображаются взаимно-перпендикулярными прямыми линиями. После развертки поверхности эллипсоида, спроектированной на боковую поверхность цилиндра, получаются разрывы земной поверхности, заметные в северном и южном полушариях по широте более 580 (рис.8). Шестиградусные зоны нумеруются арабскими цифрами с запада на восток, начиная от Гринвичского меридиана. Долготу осевого меридиана (0) любой зоны можно определить по формуле:

λ 0 = 6 0 N - 3 0 (4)

где N - номер зоны.

За начало счета координат в каждой зоне принимается пересечение изображений осевого меридиана – оси абсцисс «x» и экватора «y». Показанные на рис. 8 линии, параллельные изображению осевого меридиана (в нужной зоне) и экватора, образуют прямоугольную систему координат. Координаты (x и y) могут иметь знаки «+» и «-». Так как территория России расположена севернее экватора, то все «x» будут положительные; «y» – западнее осевого меридиана будут иметь отрицательные значения. Во избежание путаницы в знаках, то есть, чтобы ординаты были положительными, точкам осевого меридиана условно присваивается значение 500 км или осевой меридиан каждой зоны условно переносится на 500 км на запад (рис. 9).

Тогда ординаты получают условные значения и называются преобразованными у́ А, у́ Д. Впереди измененной ординаты записывается номер зоны, в которой находится данная точка.

§ 9. Зависимость между сферическими прямоугольными координатами эллипсоида и плоскими прямоугольными координатами в проекции Гаусса

Главные радиусы кривизны в данной точке эллипсоида.

Если бы Земля имела форму шара радиуса R, то кривизна ее поверхности во всех точках была бы постоянной и одинаковой, равной, а координаты любой точки на ее поверхности зависели бы от B и L (рис. 5).

В действительности, как было отмечено выше, Земля близка по форме к эллипсоиду вращения с разными размерами полуосей (§6). Таким образом, кривизна земной поверхности меняется от точки к точке, а значит координаты любой точки будут зависеть не только от B и L , но и от кривизны земной поверхности, то есть от главных радиусов кривизны эллипсоида .

Через нормаль к поверхности эллипсоида (рис. 5) можно провести бесчисленное множество плоскостей. Эти плоскости, перпендикулярные к касательной плоскости к поверхности эллипсоида в данной точке, называются нормальными. Кривые, образуемые от пересечения нормальных плоскостей, проведенных в данной точке, с поверхностью эллипсоида, называются нормальными сечениями. В каждой точке эллипсоида существуют два взаимно перпендикулярных нормальных сечения, кривизна которых имеет максимальное и минимальное значение; эти нормальные сечения называются главными нормальными сечениями.

В некоторой точке M (рис 10) поверхности земного эллипсоида главными нормальными сечениями, как известно из дифференциальной геометрии, являются:

Меридианальное сечение, проходящее через данную точку M, и оба полюса эллипсоида P и P1 (на рис. 10 меридианальное сечение в точке M представляются эллипсом PME1P1E);

Сечение первого вертикала, проходящее через точку M и перпендикулярное меридианальному сечению точки M.

Сечение первого вертикала изображено на рис. 9 кривой WME, представляющей собой также эллипс. Обозначим через M и N радиус кривизны меридиана и первого вертикала и запишем соответственно :

(5)

(6)

где a – большая полуось эллипсоида;

e 2 – квадрат первого эксцентриситета меридианального сечения;

B - геодезическая широта точки M.

Зависимость между сфероидическими и плоскими прямоугольными координатами.

Точка A (рис. 11) на земном эллипсоиде имеет сферические координаты ХА, YА и расположена в 6-ти градусной зоне на некотором удалении (YА) от осевого меридиана.

Так как по условию проекции осевой меридиан зоны касается боковой поверхности цилиндра, то после проектирования и развертки боковой поверхности цилиндра абсцисса ХА изобразится на плоскости величиной хА без искажений (рис. 12), то есть

х А =Х А (7)

Ордината YА получает искажение и после проектирования вычисляется по формуле.

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 6 0 зон меридианами, проведенными через 6 0 ; форма зоны - сферический двуугольник (рис.1.9); счет зон ведется от Гринвичского меридиана на восток. Средний меридиан зоны называется осевым; долгота осевого меридиана L 0 любой зоны в восточном полушарии подсчитывается по формуле:

L 0 =6 0 ∙n - 3 0 (1.7)

а в западном - по формуле:

L 0 =360 0 - (6 0 ∙n - 3 0),

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 = f 1 (φ, λ), y = f 2 (φ, λ), где f 1 и f 2 - 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).

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).