Картографические проекции в ГИС и датум

Картографические проекции служат для представления сферической поверхности Земли на плоскости бумажной или компьютерной карты. Системы координат (СК) определяют, как двумерная спроецированная карта описывает реальные местоположения на Земле с помощью координат. Выбор картографической проекции и системы координат зависит от географической области, которую Вы хотите показать на карте, от задач, стоящих перед будущей картой, и часто от доступности данных.

Подробнее о картографических проекциях:

Традиционный метод представления формы Земли — это глобус. Тем не менее, здесь возникает ряд проблем. Хотя глобусы достаточно точно передают форму Земли и очертания континентов, их невозможно носить с собой в кармане. Также они подходят для использования в очень малых масштабах (примерно 1 к 100 млн). Большинство тематических данных, используемых в картографических приложениях, имеют гораздо более крупный масштаб. Типичные наборы геоданных имеют масштаб 1:250 000 или крупнее, в зависимости от уровня детализации. Глобус подобного масштаба было бы трудно произвести и еще более трудно сдвинуть с места. Поэтому картографы разработали ряд математических техник, называемых картографическими проекциями, разработанных для представления сферической поверхности Земли в двух измерениях.

Смотря на Землю с близкого расстояния, люди воспринимают ее плоской. Тем не менее, из космоса она выглядит шарообразной. Карты, как известно, являются представлением реальности. Они создаются для представления не только самих объектов, но и их формы, размеров и пространственных отношений. Каждая картографическая проекция имеет достоинства и недостатки. Выбор лучшей проекции зависит от масштабакарты и от цели ее создания. Например, проекция, которая будет иметь неприемлемые искажения в случае создания карты на весь африканский континент, может быть отличным решением для составлениякрупномасштабной (детальной) карты одного из африканских городов. Свойства картографической проекции также воздействуют на визуальные характеристики карты. Некторые проекции хороши для малых областей, некоторые — для территорий с большим протяжением с запада на восток, третьи — с севера на юг.

Три семейства картографических проекций:

Процесс создания картографической проекции может быть наглядно показан путем помещения источника света внутрь прозрачного глобуса с обозначенными параллелями и меридианами. Свет падает на лист бумаги. Различные способы проецирования имитируются оборачиванием глобуса листом в форме цилиндра, конуса, или просто прикладыванием плоского листа. Каждый из этих методов называется семейством картографических проекций.

Процесс проецирования осуществляется с использованием математических принципов геометрии и тригонометрии. Процесс, показанный выше, моделируется числовыми функциями.

Точность картографических проекций.

Картографические проекции по определению не могут передать сферическую поверхность со 100% точностью. В ходе проецирования любая карта будет иметь искажения углов, расстояний или площадей. Картографическая проекция может быть компромиссной, т. е. искажать все три свойства в некоторых допустимых пределах.

Как уже сказано, при перенесении Земли на плоскость сохранить точность всех характеристик одновременно невозможно. Это означает, что если Вам нужно осуществлять точные аналитические операции по карте, Вы должны выбрать картографическую проекцию, которая наилучшим образом сохраняет точность характеристики, которую Вы будете измерять. Например, если Вы хотите измерять расстояния на Вашей карте, Вам следует выбрать проекцию, которая обеспечивает высокую точность расстояний.

Равноугольные картографические проекции На глобусе главные направления розы ветров (север, запад, юг и восток) всегда находятся под углом 90 градусов друг к другу. Другими словами, меридианы всегда находятся под прямым углом к параллелям. Такиеуглы могут быть сохранены на картографической проекции, называемой равноугольной. Также такая проекция называется конформной, или ортоморфической.

В то же время, она сильно искажает площади в высоких широтах.

Подобные проекции используются, когда важно сохранить правильные углы, в частности для навигационных и метеорологических задач. Важно помнить, что сохранение правильных углов на карте ведет к искажению других характеристик и действительно на малых площадях. Так, конформная проекция искажает площади, т. е. если на карте с конформной проекцией будут измерены площади, их значения будут неправильными. Чем больше область, изображенная на карте, тем больше будут искажены площади. Примеры конформных проекцийПроекция Меркатора и Конформная Коническая Проекция Ламберта. Подобные проекции используются на многих картах Геологической Службы США.

Равнопромежуточные проекции Если Вы хотите правильно измерять расстояния, Вам потребуется картографическая проекция, которая хорошо сохраняет расстояния. Такие проекции, называемые равнопромежуточными, поддерживают постоянный масштаб карты. Карта является равнопромежуточной, когда она корректно отображает расстояния от центра проекции до любой другой точки на карте. Равнопромежуточные проекции обеспечивают правильные расстояния от центра проекции вдоль определенных линий. Эти проекции используются для сейсмического картографирования, а также для задач навигации. Цилиндрическая Проекция ПлатеКарре иРавнопромежуточная проекция относятся к этому типу проекций. Есть и другие проекции, напримерАзимутальная Равнопромежуточная Проекция используется на эмблеме ООН.

Датумы.

В то время как сфероид аппрксимирует форму Земли, датум определяет положение сфероида относительно ее центра. Датум предоставляет систему отсчета для определения местоположения объектов на поверхности Земли. Он определяет начальную точку и направление линий широты и долготы.

Если вы измените датум или, точнее, географическую систему координат, значения координат ваших данных изменятся. Ниже приведены координаты (в градусах, минутах, секундах) для контрольной точки в г. Редландс, штат Калифорния, в системе координат Североамериканского датума 1983 года (NAD 1983 или NAD83):

34 01 43.77 884 117 12 57.75 961.

Та же точка в системе координат Североамериканского датума 1927 года (NAD 1927 или NAD27) будет иметь координаты:

34 01 43.72 995 117 12 54.61 539.

Значение долготы отличается примерно на 3 секунды, в то время как значение широты отличается примерно на 0.05 секунды.

NAD 1983 и Мировая геодезическая система 1984 г. (World Geodetic System of 1984 WGS 1984) одинаковы для большинства приложений. Здесь приведены координаты контрольной точки на базе WGS 1984:

34 01 43.778 837 117 12 57.75 961.

Геоцентрические датумы.

В последние 15 лет спутниковые данные предоставили геодезистам новые измерения для определения эллипсоида, который наилучшим образом определяет форму Земли и который соотносит координаты с центром массы Земли. Геоцентрический датум использует центр масс Земли в качестве начальной точки. Наиболее поздним из разработанных и одним из широко используемых датумов является Мировая Геодезическая система 1984 года (WGS84 World Geodetic System of 1984). Она служит основой для определения местоположения по всему миру.

Местные датумы.

Местный датум центрирует сфероид таким образом, что он наилучшим образом описывает поверхность Земли для данной конкретной территории. Точка на поверхности сфероида поставлена в соответствие определенной точке на поверхности Земли. Эта точка известна как начальная точка датума. Координаты «начальной точки» зафиксированы, и все остальные точки являются расчетными по отношению к этой точке.

Начало системы координат местного датума не расположено в центре Земли. Центр сфероида местного датума смещен относительно центра Земли. Местными датумами являются системы координат NAD27 и Европейский датум 1950 года (ED 1950). Датум NAD 1927 разработан для Северной Америки, а датум ED 1950 для использования в Европе. Поскольку местный датум тесным образом связывает сфероид с определенной территорией на поверхности Земли, он не подходит для использования за пределами того региона, для которого он был разработан.

Примечание переводчика: Для всех карт на территорию России и бывшего Советского Союза в качестве датума используется эллипсоид Красовского 1940 года.