Картография и топография. Проекции и карты

Картография (от гр. χάρτης -«карта» и γράφειν-«рисовать») наука об исследовании, моделировании и отображении пространственного расположения, сочетания и взаимосвязи объектов и явлений природы и общества (географической оболочки Земли). Объектами картографии являются Земля, небесные тела, звездное небо и Вселенная. Наиболее популярными продуктами картографии стали образно-знаковые модели пространства в виде: плоских, рельефных и объемных карт, глобусов, макетов или изображения на видеомониторе.

Математическая картография изучает способы отображения поверхности Земли на плоскости. Поскольку поверхность Земли имеет не равную кривизну, ее нельзя отобразить на плоскости с сохранением всех пространственных соотношений одновременно: углов, расстояний и площадей. Можно сохранить только некоторые из этих соотношений. Важное понятие в математической картографии – картографическая проекция, способ перехода от реальной, геометрически сложной земной поверхности к плоскости карты. Для этого переходят к математически правильной фигурe эллипса, а затем проектируют изображение на плоскость используя различные вспомогательные поверхности: цилиндр, конус, плоскость. Созданием карт занимается картоведение.

В зависимости от характера искажений проекции разделяют на: равноугольные – сохраняется правильность отображаемых объектов (материков, океанов, морей и др.), но сильно искажаются размеры площадей; равноплощадные – сохранены размеры площадей, но искажаются очертания объектов; произвольные – искажаются углы и площади.

В зависимости от способа переноса градусной сети с глобуса на карту различают 4 основных вида проекций: цилиндрические, конические, азимутальные (рис. 18), произвольные (условные). Существуют и другие: овальные, косые, с разрывами и т.д.

· Цилиндрические проекции используются для карт мира – модель Земли мысленно помещают в цилиндр и проектируют на его стенки земную поверхность, линией наименьших искажений является экватор.

· Конические проекции – один или несколько конусов мысленно насаживаются на модель Земли и на них переносят все точки земной поверхности. Меридианами в такой проекции являются прямые линии, выходящие из одной точки (полюса), а параллелями – дуги концентрических кругов.

Для изображения на картах отдельных материков и океанов используют азимутальную проекцию, при которой на плоскость проектируют поверхность материка. Точкой нулевого искажения является точка касания плоскости к земной поверхности, максимальное искажение имеют периферийные части карты (карты Антарктиды и приполярных районов).

В поперечно-азимутальной проекции (точка соприкосновения на экваторе) составлена карта полушарий, в которой меридианам и параллелям соответствуют кривые, за исключением экватора и средних меридианов полушарий. Для изображения отдельных материков точки соприкосновения выбирают в их центре (карты Африки, Австралии и Америки).

Рис. 18. Посторонние проекций: 1-цилиндрическая, 2-коническая, 3-азимутальная.

· В современных условиях картографические проекции строятся также с помощью математических расчетов без вспомогательных поверхностей; их называют условными проекциями.

Картометрия – позволяет по данным карты измерять расстояния, углы и площади на реальной поверхности Земли. Необходимо учитывать, что на любых географических картах существуют искажения. Эти искажения разных видов, а их величина зависит от вида проекции, масштаба карты и охвата проектируемой территории. Если искажения расстояний на параллелях на карте отсутствуют, то отрезок экватора ровно в два раза больше, чем отрезок 60°-й параллели. О характерном искажении углов можно сделать вывод, когда параллели и меридианы не образуют между собой прямых углов. Если ячейки сетки на одной широте одинаковы, то искажений формы на данной карте нет.

Топография (др.-греч. Τόπος-место и γράφω-пишу) – научная дисциплина, самостоятельный раздел картографии, изучающий проблемы картографирования территорий: методы изображения географических и геометрических элементов местности на основе съемочных работ (наземных, с воздуха или из космоса) и создания на их основе топографических карт и планов (рис. 19). Топография может рассматриваться как раздел геодезии, посвященный вопросам проведения измерений для определения геометрических характеристик объектов на земной поверхности. Изучает вопросы содержания топографических карт, методики их составления и обновления, вопросы их точности и классификации, а также извлечения из них различной информации о местности.

Методы топографии. Наземная съемка применяется преимущественно на таких участках, картографирование которых нерентабельно другими средствами из-за их малой площади или затруднительно по характеру территории.

Аэрофотосъемка является наиболее распространенным приемом создания топографических карт. Существует два ее вида:

· при комбинированной съемке все топографические работы (построение плановой и высотной основы карты, отрисовка рельефа и дешифрирование на фотоплане предметов и контуров объектов) выполняются непосредственно на местности;

· при стереотопографической съемке в полете производят аэрофотографирование и радиогеодезические работы по созданию каркаса карты, затем на местности строят опорную геодезическую сеть, дешифрируют участки и инструментально наносят не отобразившиеся на аэроснимках объекты; построение сетей, рисовку рельефа (рис. 19, рис. 20) осуществляют в ходе камеральных работ (сейчас с помощью ЭВМ).

Спутниковая съемка применяется при изготовлении обзорно-топографических и мелкомасштабных топографических карт преимущественно для неосвоенных и малоизученных территорий.

Рис. 19. а – проектирование физической поверхности земли на горизонтальную плоскость при создании карт.   б – проектирование на уровенную поверхность земли, используется при создании глобуса.

Относительно новой областью применения космической съемки является создание с помощью радаров и сонаров, установленных на спутниках, цифровых моделей рельефа местности (в виде матрицы высот) для обработки на ЭВМ.

	Рис. 20. Способы изображения горизонталями форм рельефа с учетом высоты. 1 – гора; 2 – котловина; 3 – хребет; 4 – лощина; 5 – седловина В результате получают топографическую карту с горизонталями высот и отражением рельефа местности. Направление склонов указывают бергштрихи на линиях. ( ˫ , ˧ )

Эти модели служат двум целям: как дополнение обычных карт данными, не выражающимися при графическом или фотографическом воспроизведении местности; для особого выделения типов территорий или объектов, показанных на картах, что существенно при прокладке каналов, дорог и трубопроводов, выборе участков под водохранилища, аэродромы и др.

Наиболее перспективная область ЭВМ-топографии – автоматическое распознавание информации и построение на ее основе GIS-систем, например система карт и планов территорий – «Дубль-ГИС», электронные карты Гугл, Яндекс, Новигаторы.

Топонимика (от др.-греч. τόπος (topos)-место и ὄνομα (onoma)-имя, название) – наука, изучающая географические названия, их происхождение, смысловое значение, развитие, современное состояние, написание и произношение. Топонимика является интегральной научной дисциплиной, которая находится на стыке трех областей знаний: географии, истории и лингвистики.

Основное значение и главное назначение географического названия – фиксация места на поверхности Земли. В связи с этим среди топонимов выделяются различные классы: Ойконимы – названия населенных мест, астионимы – городов, гидронимы – названия рек, дримонимы – лесов, оронимы – гор. Урбанонимы – названия внутригородских объектов, годонимы – улиц, агоронимы – площадей, дромонимы – путей сообщения. Макротопонимы – названия больших незаселенных объектов. Микротопонимы – названия небольших незаселенных объектов. Антропотопонимы – названия, произведенные от личного имени.

Карта – это построенное в картографической проекции, уменьшенное, обобщенное изображение поверхности Земли, другого небесного тела или внеземного пространства, показывающее расположенные на ней объекты или явления в определенной системе условных знаков. Карта – математически определенная образно-знаковая модель действительности.

Географическая карта – изображение земной поверхности, содержащее координатную сетку с условными знаками на плоскости в уменьшенном виде, отображающее размещение, состояние и связи различных природных и общественных явлений, их изменения во времени, развитие и перемещение.

Топографическая карта – карта, полнота содержания и точность которой позволяют решать технические задачи. Классификация карт:

По масштабу: (численный, именованный, графический).

· топографические планы - 1:500 - 1:5 000;

· крупномасштабные топографические карты - 1:10 000 до 1:100 000;

· среднемасштабные топографические - от 1:200 000 - 1:1 000 000;

· мелкомасштабные топографические карты - менее 1:1 000 000.

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). Топографические карты России до масштаба 1:50 000 являются секретными, а масштаба 1:100 000 для специального пользования, и мельче – несекретными.

По территориальному охвату: карты мира; карты материков; карты стран и регионов.

По назначению:

· научно-справочные – предназначены для выполнения научных исследований и получения максимально полной информации;

· культурно-образовательные – для популяризации знаний, идей;

· учебные – используются в качестве наглядных пособий для изучения географии, истории, геологии и других дисциплин;

· технические – отображают объекты и условия, необходимые для решения каких-либо технических заданий;

· туристические – могут содержать: населенные пункты, ориентиры, достопримечательности, маршруты передвижения, места отдыха, ночевок и других услуг, в зависимости от предназначения по видам туризма;

· навигационные (дорожные) и др.

а так же карты классифицируются по содержанию:

Общегеографические карты – изображают все географические явления, в том числе рельеф, гидрографию, растительно-почвенный покров, населенные пункты, хозяйственные объекты, коммуникации, границы и т. д. Общегеографические крупномасштабные карты, на которых изображены все объекты местности, называются топографическими, среднемасштабные общегеографические карты – обзорно-топографическими, а мелкомасштабные общегеографические карты – обзорными.

Тематические карты – показывают расположение, взаимосвязи и динамику природных явлений, населения, экономики, социальную сферу. Их можно разделить на две группы: карты природных явлений (геологические, геофизические, карты рельефа, метеорологические и климатические, океанографические, гидрологические, почвенные, полезных ископаемых, и т.д) и карты общественных явлений – общественно-политические (карты населения, экономические, политические, исторические, социально-географические, каждая может содержать собственные разделы).

Ландшафтная карта – специальная, представляет собой графические результаты изучения ландшафтов разных категорий и любого таксономического ранга. По содержанию выделяют общенаучные (о морфологических особенностях территории, качественных и количественных характеристиках) и тематические (прикладные и констатационные, оценочные и прогнозные, для решения вопросов практического характера, задач науки и производства). Изучение ландшафтных карт позволяет получить представление о закономерностях пространственной среды.

Спортивная карта – специальная крупномасштабная схема местности, предназначенная для использования в соревнованиях по спортивному ориентированию. На ней отсутствуют координатная сетка, линии истинного меридиана, склонение, точки геодезических привязок и действует особая система точности по плановым, угловым и высотным измерениям в соответствии с требованиями Международной федерации спортивного ориентирования (ИОФ) и Федерацией спортивного ориентирования (ФСО) России. Уровенная поверхность в геодезии – поверхность, всюду перпендикулярная отвесным линиям. Примером уровенной поверхности является поверхность жидкости, находящейся в равновесии. Одна из уровенных поверхностей гравитационного поля Земли – геоид – совпадает со средним уровнем вод Мирового океана. Уровень моря – положение свободной поверхности Мирового океана, измеряемое по отвесной линии относительно некоторого условного начала отсчета. Это положение определяется законом тяготения, моментом вращения Земли, температурой, приливами и другими факторами. Различают «мгновенный», приливной, среднесуточный, среднемесячный, среднегодовой и среднемноголетний уровни моря. Под воздействием ветрового волнения, приливов, нагревания и охлаждения поверхности моря, колебаний атмосферного давления, осадков и испарения, речного и ледникового стока уровень моря непрерывно изменяется.

Среднемноголетний уровень моря не зависит от этих колебаний поверхности моря. Положение среднемноголетнего уровня моря определяется распределением силы тяжести и пространственной неравномерностью гидрометеорологических характеристик (плотность воды, атмосферное давление и др.). Постоянный в каждой точке среднемноголетний уровень моря принимается за исходный уровень, от которого отсчитываются высоты на суше. Для отсчета глубин морей с малыми приливами этот уровень принимается за нуль глубин – отметку уровня воды, от которой отсчитываются глубины в соответствии с требованиями судоходства. Для измерения и регистрации колебаний уровня моря используют мареограф.

В России и большинстве других стран бывшего СССР, а также в Польше, абсолютные высоты точек земной поверхности отсчитывают от среднемноголетнего уровня Балтийского моря, определенного от нуля футштока в Кронштадте.Глубины и высоты в западноевропейских странах исчисляются по Амстердамскому футштоку (замер уровня Средиземного моря делается по Марсельскому футштоку).

Высота морской поверхности (ВМП) – это высота (или рельеф) поверхности океана. В течение суток она, наиболее подвержена влиянию приливных сил Луны и Солнца, действующих на Землю. Обычно циркуляция океана вызывает отклонения топографии от среднего уровня максимум на ± 1 м. Самые медленные изменения ВМП происходят за счет изменений в гравитационном поле Земли (геоид) в результате перераспределения континентов, образования подводных гор и т.п.

Футшток (от нем. Fußstock или нидерл. voetstok) – уровнемер в виде рейки (бруса) с делениями, установленный на водомерном посту для наблюдения и точного определения уровня воды в море, реке или озере. Используя морские, речные, озерные футштоки, проводят наблюдения для решения местных технических задач, возникающих, например, при строительстве портов и гидротехнических сооружений. Материалы наблюдений на футштоках совместно с материалами нивелирования между футштоками используются для определения разности уровня морей и изучения вертикальных движений литосферных плит.

Картографические условные знаки – система графических обозначений (символов, знаков), применяемая для изображения на картах различных объектов и явлений, их качественных и количественных характеристик, «легенда карты». Их можно разделить на знаки общего применения, например топографические, и специальные или тематические знаки.

Все местные предметы изображаются на топографических картах специальными условными топографическими знаками. Эти знаки похожи на сами местные предметы, а по размерам соответствуют им в масштабах карт. Так, лес на топографических картах изображается зеленым цветом; дома и другие строения – прямоугольниками; реки, ручьи, озера – голубым цветом. Но не всегда, можно точно по форме, цвету и размеру изобразить каждый местный предмет на карте.

К примеру, шоссейную дорогу, ширина которой 20 м на стотысячной карте (в 1 мм – 100 м) надо было бы изобразить линией толщиной в 1/5 часть миллиметра, а на карте масштаба 1:200 000 еще тоньше – 0,1 мм. Ручейки, грунтовые дороги и тропинки, и другие маленькие (или узкие) по размерам, но очень важные местные предметы изображаются на топографических картах внемасштабными знаками (рис. 21). Например, маленький родничок изображают на карте синим кружком диаметром в целый миллиметр. Кроме того, шоссейные и другие крупные дороги, асфальтированное шоссе, например, имеет в действительности сероватый цвет, а на карте их показывают ярко-красным. Подписи являются внемасштабными вспомогательными условными знаками, предназначенными для описания названий объектов местности, их характеристик и свойств самой карты.

Все топографические условные знаки можно разделить на:

· линейные – изображающие дороги, линии связи и электропередачи, ручьи, реки и т.п. То есть это знаки, изображающие такие местные предметы, которые сами по себе имеют форму длинных линий;

· площадные – изображающие леса, болота, населенные пункты, пашню, луга, то есть местные предметы, занимающие значительные площади поверхности земли. Эти знаки состоят из двух элементов: контура и знака, заполняющего контур (рис. 22);

· фигурные – знаки, изображающие башни, мосты, церкви, паромы, электростанции, отдельные строения и т.п.;

· пояснительные – дают характеристику леса, названия населенных пунктов, железнодорожных станций, рек, озер, гор и т.д. Это ширина шоссе и реки, длина, ширина и грузоподъемность мостов, глубина бродов и рек и т.п.

Рис. 21. Распространенные внемасштабные условные знаки

Почти все линейные и фигурные знаки являются внемасштабными, а площадные, как правило, точно соответствуют истинным размерам местных предметов. Знаки легче изучать и запоминать, знакомясь с ними по группам, которые образуются по типу местных предметов. Группа 1. Дороги и дорожные сооружения.

Группа 2. Населенные пункты, отдельные строения. Группа 3. Гидрография (т.е. все водные объекты на земле). Группа 4. Рельеф. Полезные ископаемые. Группа 5. Растительность. Животный мир.

Группа 6. Пояснительные и специальные туристские знаки.

Рис. 22. Условные знаки для изображения местности.

Масштаб 1 : 100 000,означает что1 см = 100 000 см. Необходимо 100 000 см перевести в метры = 1000 м, затем в километры = 1 км, или просто отбросить 5 нулей! То есть 1 : 100 000, означает что в 1 см – 1 км.Например 1 : 30 000 000 – значит1 см = 300 км Чем меньше нулей, тем крупнее выглядит масштаб