Мечта об идеальной карте. Картография и математика

Ибаньес Рауль

Напомним, что в этой книге мы приводим только интуитивно понятные доказательства в духе классической геометрии. Более строгое доказательство требует использования дифференциальной геометрии и методов математического анализа.

Проекция Архимеда является равновеликой.

Тем не менее величины углов на карте, выполненной в проекции Ламберта, не сохраняются. Чтобы убедиться в этом, посмотрите на предыдущий рисунок. В силу искажений меридианов (они сжимаются) и параллелей (они расширяются) угол между основанием и диагональю прямоугольника

на сфере будет больше, чем этот же угол в проекции прямоугольника на плоскость. Однако прямые углы между меридианами и параллелями сохраняются. Из вышеизложенного можно сделать вывод о необходимых и достаточных условиях сохранения величин углов.

1. Должны сохраняться углы между меридианами и параллелями (эти углы прямые, то есть равны 90°).

2. Искажение в направлении меридианов должно быть равно искажению в направлении параллелей .

По теореме Пифагора, если оба этих свойства выполняются, то искажения в любом направлении всегда будут одинаковыми. В частности, мы показали, что для равновеликой цилиндрической проекции Ламберта искажение в направлении меридианов равно = cos , искажение в направлении параллелей — = 1/cos , а круг, центром которого является точка на сфере, в этой проекции преобразуется в эллипс на плоскости, вытянутый в направлении «запад — восток». На следующей иллюстрации изображены эллипсы, построенные в различных участках Земли, которые позволяют увидеть искажения на различных широтах.

Индикатриса Тиссо, или эллипс искажения — один из способов графического изображения искажений на карте. В разных участках земной поверхности строятся небольшие окружности, после чего по их проекциям на карте можно увидеть проективные искажения в различных участках карты. Так, если мы примем радиус окружности равным , она преобразуется в эллипс, длины полуосей которого будут равны и . Если  = , то эллипсы примут форму окружностей, а отображение будет конформным. При = 1/  отображение будет равновеликим. На иллюстрации представлена индикатриса Тиссо для равновеликой цилиндрической проекции Ламберта.

Наконец, очевидно, что эта проекция не сохраняет геодезические линии, за исключением меридианов и экватора. Вывод таков: равновеликие проекции могут не быть изометрическими, и одного лишь сохранения площадей для создания точной карты Земли недостаточно.

Цилиндрические и псевдоцилиндрические проекции

Равновеликая цилиндрическая проекция Ламберта — это геометрическая цилиндрическая проекция, определяемая как геометрическая проекция земной сферы на касающийся ее цилиндр (как правило, точки касания лежат на экваторе) с последующим развертыванием цилиндра на плоскости (для этого цилиндр разрезается вдоль одного из меридианов, то есть вертикально). В картах, созданных с использованием этой проекции, искажения возникают на первом этапе построения, так как развертывание цилиндра на плоскость является изометрическим преобразованием и не искажает размеры. Если изменить диаметр основания цилиндра, то есть уменьшить его так, чтобы он рассекал сферу, или же сменить его положение либо проекцию лучей, то мы получим различные геометрические цилиндрические проекции.

Другими проекциями этого же типа являются центральная цилиндрическая проекция и стереографическая проекция Брауна. В центральной цилиндрической проекции «лучи света» распространяются из центра сферы на ее поверхность и на поверхность цилиндра. Искажения у полюсов, вносимые этой проекцией, очень велики и даже больше, чем искажения в проекции Меркатора. В стереографической проекции Брауна, разработанной в 1867 году, центром проекции для произвольной точки меридиана служит противолежащая точка экватора на этом же меридиане.

Эта проекция, как и в свое время стереографическая проекция Галла, была создана в попытках устранить излишние искажения у полюсов, возникающие при использовании проекции Меркатора.

Сечения

для некоторых геометрических цилиндрических проекций, показывающие разницу размеров и внешнего вида карт, созданных с использованием этих проекций.

Мы считаем, что цилиндр касается сферы на экваторе, но также можем рассмотреть случаи, когда цилиндр рассекает сферу вдоль двух параллелей, симметричных относительно экватора. Так, если цилиндр рассекает сферу вдоль параллелей 30° с. ш. и ю. ш., то равновеликая цилиндрическая проекция Ламберта станет эквивалентна проекции Бермана (1910) или проекции Галла — Петерса (1833 и 1967), если цилиндр рассекает сферу вдоль параллелей 45° с. ш. и ю. ш. Если в стереографической проекции Брауна цилиндр рассекает сферу вдоль 45-х параллелей, имеем стереографическую проекцию Галла (1885).

Карта, выполненная в равновеликой цилиндрической проекции Бермана, при которой цилиндр рассекает сферу вдоль 30-х параллелей.

Понятие цилиндрической проекции охватывает не только геометрические, но и алгоритмические проекции, которые обладают некоторыми общими свойствами с описанным выше геометрическими проекциями.

1. Линии координатной сетки, то есть меридианы и параллели, являются прямыми и перпендикулярны друг другу.

2. Масштаб вдоль каждой параллели постоянен (для разных параллелей он отличается), следовательно, меридианы равноудалены друг от друга. Длины всех меридианов и всех параллелей одинаковы.

Карты мира, созданные с помощью этих проекций, прямоугольные, а их метрические свойства симметричны относительно экватора. В качестве примеров можно привести цилиндрическую равнопромежуточную проекцию, цилиндрическую проекцию Миллера и проекцию Меркатора. В простой цилиндрической равнопромежуточной проекции, которую ввел Эратосфен, масштаб карты неизменен вдоль каждого меридиана, следовательно, параллели равноудалены друг от друга. Частным случаем является plate саrr'eе — проекция, в которой меридианы и параллели образуют

квадратную сетку (расстояния между ними одинаковы). Математическая формулировка этой проекции проще, так как всего лишь представляет на плоскости широту и долготу . Цилиндрическая проекция Миллера была создана в 1942 году в попытках сохранить внешний вид проекции Меркатора и уменьшить искажения у полюсов, однако она не является ни равновеликой, ни конформной, то есть не сохраняет ни площади, ни углы. О проекции Меркатора мы подробно расскажем в главе 9.

На рисунке вы можете видеть, как распределяются параллели в Северном полушарии при использовании разных цилиндрических проекций с одинаковым масштабом у экватора, и оценить вносимые искажения.

Сравнение расположения параллелей в некоторых цилиндрических проекциях.

Кроме того, можно рассмотреть разновидности картографических проекций (прямые, поперечные и косые), которые отличаются расположением плоскости, цилиндра или конуса проекции относительно земной сферы. В этих проекциях сетка меридианов и параллелей выглядит по-разному. Прямые цилиндрические проекции (геометрические и алгоритмические) — это проекции, в которых цилиндр касается сферы на экваторе или рассекает ее вдоль двух параллелей — этот случай мы рассмотрели выше. В поперечных цилиндрических проекциях цилиндр касается меридиана или рассекает сферу вдоль окружностей, параллельных меридиану. В косой проекции точки касания расположены на большом круге, который не является ни меридианом, ни экватором, либо линии пересечения цилиндра и сферы являются окружностями, параллельными большому кругу сферы. Поперечные и косые цилиндрические проекции удобно использовать, когда необходимо заострить внимание на какой-либо области, расположенной вдоль меридиана, так как искажение вблизи линий касания цилиндра и сферы меньше.