Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Бугаевский Л.М. - Математическая картография - 1998.pdf
Скачиваний:
703
Добавлен:
10.03.2016
Размер:
12 Мб
Скачать
☆

2.3.1.4. ПОЛИКОНИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ С ПОЛЮСАМИ В ВИДЕ ПОЛЯРНЫХ ЛИНИЙ

Ф о р м у лы полярны х координат, ф у н к ц и и q , частных масштабов длин п вдоль параллелей этих проекций можно представить в виде

где F((p) - определяется из заданных условий

изображения

среднего меридиана. В частности для равнораз-

деленного средн его м е р и д и а н а

будем иметь

/ ’(ф) = s и отсюда га() - заданному постоянному зна­

чению частного масштаба длин вдоль среднего меридиана;

к, с - постоянные параметры, значения которых могут быть вычислены, например:

к - из условия обеспечения заданной кривизны на одной из параллелей;

с - из заданного соотношения длин полярной линии

и э к в а т о р а (или

из

з а д ан н о г о з н а ч е н и я

частного масштаба

п

на выбранной п а р а л ­

лели).

Прямоугольные координаты и другие х арактери сти ки указанных проекций можно определить с использованием приведенных выше формул.

2.3.2. ПОЛИКОНИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ В “УЗКОМ СМЫСЛЕ”

2.3.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для этих проекций справедливы формулы (235) и (236) общей теории поликонических проекций.

Дополнительно накладываются два условия:

- радиусы параллелей на проекции равны р = У У ^ ф - образующим конуса, касательного к эллипсоиду (шару) по этим параллелям;

-длины вдоль среднего меридиана сохраняются, т.е. тп0=1 (в некоторых вариантах этих проекций полагают, что

частные масштабы длин тп{=к - постоянной величине). Условие Т7г()с=1 позволяет определить абсциссы центров параллелей q. Если длина осевого меридиана изображается

без искажений, то

q = s + p = s+ N ctg ф.

Значения производных будут равны

 

 

= М\

р<р

= - М

- N ctg2 ф ;

qv = - N ctg2 ф.

Общие

ф о р м у л ы

этих

проекций

с учетом (235), (236)

принимают вид

 

 

 

 

х -

s + N ctg ф(1 -

cos 8);

у - ./V ctg ф sin 5;

п =

5А.

 

 

 

 

 

 

БШф

 

 

 

 

 

tg е = —

jVctg2 ф sin 6 + jV ctgф5ч>

tgф5(p- s in 5

N ctg Фcos8 + Л/ + Л/ctg ф

c o s6 _ ^ 1 + .^ .tg2 4)

 

-

 

 

- N ctg2 ф cos 8 + M + N ctg2 ф _

' , -

' Vcos<p--------------M ~ 7 ^

--------------- 5‘

1 + 2 ^ c t g 2 <|>sin! | j -5 X

Sin ф

m = p sec e.

Из данного класса наибольшее распространение получили п р о с т а я п о л и к о н и ч е с к а я и в и д о и з м е н е н н а я п р о с т а я поликоническая проекции.

2.3.2.2. ПРОСТАЯ ПОЛИКОНИЧЕСКАЯ ПРОЕКЦИЯ

При

получении этой проекции учи ты вается

еще одно

д о п о л н и т е л ь н о е у с л о в и е - д л и н ы

всех п а р а л л е л е й на

проекции передаются без искажений (n= 1).

 

Тогда

будем иметь

 

 

 

5 = J sin qdk + с | = X sin ф + с , ,

 

где для

симметричных относительно

среднего

меридиана

проекций

при

X = 0, 6 = 0

и с j = 0.

З ап и сав производную

8ф = ^COScp t

получим

следую щ ие

общие

ф орм улы проекции

х =

s + TV c t g ф(1 -

c o s6 );

у - 7V ctg(p sin 8;

5 = A,sincp;

tgs =

 

5 - sin 8

 

 

p = 1 + 2 -^ -ctg2 ф • sin 2

m = psece;

(238)

P

Искажения в этой проекции зависят от широты и долготы, изоколы имеют вид кривых, симметричных относительно среднего меридиана. Искажения длин вдоль меридианов, углов и площадей значительно увеличиваются при удалении от осевого меридиана; параллели (особенно в высоких широтах)

и зо б р а ж а ю тс я со

значительной

кривизной. Т ерри тори и ,

в ы тя н у т ы е вдоль

меридианов,

и з о б р а ж а ю тс я с малыми

величинами искажений. Следовательно, проекцию выгодно использовать для изображения областей вытянутых от одного географического полюса до другого и мало вытянутых по долготе.

Проекция нашла наиболее широкое применение в США,

как для создания карт в широкой,

так и в узкой зонах.

В последнем

случае, разложив

в ряд

 

 

 

 

- .

52

84

.

 

83

б5

- —

+ ----

cos5 = 1

-------------------------+ -----... и

sm 5

= 5

 

2

24

 

 

6

120

 

 

формулам проекции (238) придают следующий вид

^А/

х= s + — N cos фsin ф+...;

у -

А.3 ж,_ _ -. 2

ф+...

<239>

XN cosф - - T - N cosфsin

 

 

6

 

 

При X < 3° угол

6 < 3" . П оэтому

 

 

Максимальные искажения возникают в точках пересече­ ния крайних меридианов с экватором и достигают

v р - v m = 0.14%; со = 4'.7.

2.3.2.3. ВИДОИЗМЕНЕННАЯ ПРОСТАЯ ПОЛИКОНИЧЕСКАЯ ПРОЕКЦИЯ

И д е я с о з д а н и я м е ж д у н а р о д н о й к а р т ы м а с ш т а б а 1:1 ООО ООО была выдвинута в 1891 г. проф. А.Пенком. В 1909 г. на Международном географическом конгрессе в Лондоне была выбрана для этой к ар ты ви д ои зм ен ен н ая простая поликоническая проекция, а также определены разграфка и номенклатуры листов этой карты.

Относительно простой поликонической проекции были установлены следующие видоизменения:

- проекция применяется как многогранная;

-

все меридианы в ней изображаются прямыми линиями;

-

крайние параллели листов - окружности, описываемые

радиусами p=yVctgcp из центров, лежащих на прямолиней­ ном с р е д н е м м е р и д и а н е , д л и н ы на э т и х п а р а л л е л я х сохраняются;

-сохраняются длины меридианов, удаленных от средних на ±2°;

-средние параллели проводятся по точкам, полученным пропорциональным делением всех прямолинейных меридианов

сучетом разностей широт данной и южной параллелей.

Размеры сторон трапеции - Дф = 4° и ДХ = 6° . На широтах

от 60° до 76° листы сдваиваются

(ДХ = 12°), выше

76° -

учетверяются

( ДА, = 24° ) по долготе.

 

 

 

Поскольку

для каждого листа применяется свой

вариант

проекции, и с к а ж е н и я в п р е д ел а х

листов малы,

но

при

формировании блоков листов (склейке 4-х листов и более) возникают угловой (и линейный) разрывы.

в' =

Дф°ДХ° cos фср,

где р', р° - радианы.

 

8 Злк. I и

225

У ч и т ы в а я ч е т в е р т о е у с л о в и е , ч а с т н ы е м а с ш т а б ы площадей и длин вдоль меридианов с учетом (240) равны

 

1 Х

2

ф

 

 

 

 

1 + — —cos

 

 

 

 

т =

2р°-

 

и, следовательно,

 

4°

 

 

 

/,

 

 

 

 

1 + — — cosa)

 

 

 

 

2р°

 

 

 

 

 

1 + 0,0001523а.°2 COS2 ф

= 1

, с - п/ло2

ЛОЧ

2

р - т - ------------------------------—

+ 0,0001523(Х

-4 °)co s

ф

1+ 0,0001523-4° cos2 ф

Отсюда на среднем меридиане (при Х°=0)

т0 = 1 - 0,0006092 cos2 ф,

т.е. средний меридиан изображается с укорочением

Дх0 = 0,0006092As cos2 ф.

Приняв с достаточной точностью, что длина отрезка

меридиана Дф = 4° равна As * 444 км, получим в масштабе

1:1 000 000

Ах0 = 0,271 cos2 ф (мм).

Формулы прямоугольных координат данной проекции принимают вид

(sc - s m - Ax0) + — (rc sinVc - гю s ^ J

ф -ф«,

У =

% - ' ■ » ) - у ( '• с s in 2 фг -

s in 2 ф „ ) Ф ~Ф,0 .

Записав производные

г ю sin + (rc sin ф, - гюsin <р„) Ф -Ф„

. 2

-Ух = Гю - у '■«sin Ф * > +

найти

значения частных масштабов длин вдоль параллелей в этой проекции.

2.3.2.4. ПОЛИКОНИЧЕСКИЕ РАВНОВЕЛИКИЕ ПРОЕКЦИИ ЭЛЛИПСОИДА

Учитывая общую формулу частных масштабов длин вдоль параллелей и условие равновеликости проекции, получим

qvpcosSbK - р р ф5х = Mr;

 

 

(241)

где

 

 

dq .

_ Ф .

. _ Э6

п - частные масштабы длин

вдоль

параллелей; г - N coscp -

радиусы кривизны параллелей; М, N - радиусы кривизны меридианного сечения и сечения первого вертикала. Система (241) содержит два уравнения, в которые входят четыре функции. Рассматривая различные способы доопределения этой системы, можно получить множество разнообразных равновеликих поликонических проекций.

В работе [9] рассмотрены, некоторые такие способы и получены новые варианты равновеликих поликонических

проекций,

имеющие

определенные достоинства.

 

В качестве примера зададим следующие доопределяющие

уравнения:

 

 

 

 

4 = f |(ф).Р = f 1(ф)-

(242)

В этом

с л у чае

р а с с м а т р и в а е м а я з а д а ч а

с во д и тся к

определению полярного угла 5. Интегрируя уравнения (241)

при условии получения проекции, симметричных относитель­ но среднего меридиана, будем иметь выражение, подобное уравнению Кеплера:

s

Mr

9ф

. -

8

= --------X +

—

sin 5

 

РРф

Рф

 

8 = c + £sin6.

 

 

, Mr

 

 

с = - X ----- ;

 

 

 

РРФ

 

 

Ь = ? ± .

 

 

или

Рф

 

 

где

 

 

 

Теперь, положив в

первом приближении

(243)

(244)

=

с

 

( I ) -

6 ’

 

1 -

нетрудно по (243), (244) найти методом итерации искомые значения полярных углов 5 и, следовательно, совокупность разнообразных проекций в зависимости от заданных функций (242).

 

В частности положим

 

 

 

 

 

p = 7Vctgcp;

q = s + N ctg cp,

(245)

где

s - д л и н а дуги м е р и д и а н а

от

э к в а т о р а

до данной

параллели.

 

 

 

 

 

Переменные коэффициенты (244) перепишутся следующим

образом

 

 

 

 

 

с = Xsin3 срД1 + е'2 cos4 ф|;

 

 

b = cos2 ф^1 + е'2 cos2 ф |Д 1 + е'2 cos4 ф),

где

е' - второй эксцентриситет эллипсоида.

 

 

Используя полученные по (246), (243), (245) значения

полярных углов и значения Р и д ,

нетрудно

вычислить

прямоугольные координаты

проекции.

 

 

вид

Формулы частных масштабов

длин

проекции принимают

- вдоль параллелей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п = с , /(1 - A cosS),

- вдоль меридианов

1

т= —secб .

п

Угол 6 - отклонение от прямого угла между изображения ­ ми меридианов и параллелей в точках проекции определяется по общей для всех поликонических проекций формуле

q

Sin 5 + р5

tge = —2-------------

*-

РФ-9<pCOs5

Здесь:

о _

С’ф

+ bv sin 5

Ф___ VФ____ t

41

1

- b cos 5

Наибольшие искажения углов определяются по известной формуле

В данной проекции отсутствуют все виды искажений в точках среднего меридиана. Проекция может быть использо­

вана для создания карт

на

регионы, особенно значительно

в ы т я н у т ы е

по ш ироте

и

м еньш е

по долготе.

П р о е к ц и я

симметрична

относительно

среднего

меридиана

и экватора.

2.3.2.5. ПОЛИКОНИЧЕСКИЕ ПРОЕКЦИИ ЭЛЛИПСОИДА С ОРТОГОНАЛЬНОЙ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ СЕТКОЙ

Условие ортогональности картографической сетки можно представить выражением (48)

 

/ = х9 хх + Уч>Ух = 0 .

 

Продифференцировав

(235),

получим

 

 

/ = <7<pPsin 55,

+ р25 ф5 х .

 

Тогда с учетом условия (48) найдем

 

 

db

 

 

 

 

 

sin 5

р

 

 

Интегрирование выражения

(248) дает

 

 

lntg — = -

f-^-dcp + lnc(X)

(249)

 

2

•> р

 

 

 

где c(X) - функция интегрирования.

 

Теперь, задав

функции

q и

р , можно из (249) получить

м н о ж ество р а з н о о б р а з н ы х

п о л и к о н и ч еск и х

пр о екц и й с

ортогональной картографической сеткой.

 

В частном

случае, если положить

 

 

q = s + р;

р = N ctgtp

 

и учесть, что

<7ф = - N ctg2 ф ,

 

 

 

получим

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

In tg — = In sin ф + In c(X)

 

и

 

 

 

 

 

 

5

= c(X.)sinq>.

(250)

 

t g -

Функцию интегрирования найдем из условия сохранения длин на экваторе.

Тогда будем иметь

у = аХ = psinS = а{\ + cos 5) cos фс(Х).

Учитывая это выражение и формулу (250), получим

с(Х) =

 

5 X .

(251)

t g y = ^-sinv.

Теперь найдем частные масштабы проекции. Частный масштаб длин вдоль меридианов из (236) запишем в виде

Я<рcos 6 - р

т = ^ ~ М -----seC£='’

(Е= 0Ь -

Учитывая значения g, Р и их производные будем иметь

 

 

 

т = 1 + -77ctg2 ф(1 - cos5).

 

 

 

 

 

 

М

 

 

 

 

 

 

 

Принимая во внимание (251) и известные формулы

 

 

cos б = 1 ” tg2 Y l

 

4 -

sin2 ф .

 

 

 

 

1+ tg2 Y i

4 +

sin2 ф

 

 

 

N

л

,2

cos

2

ф ,

 

 

 

 

 

 

—

= 1 + e'

 

 

 

 

 

получаем

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 1 + — (l + co s2 ф + 2 в'2 со 84ф) э

 

где e'

-

второй эксцентриситет

эллипсоида.

 

Продифференцировав

 

(251)

по

X

и используя

из (236)

формулу

р

 

иметь для

данной

проекции

п = —5Х, будем

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

п = -------з—

г~ -

 

 

 

 

 

 

 

4 + X

sin

ф

 

 

 

Частные масштабы площадей и наибольшие искажения

угл о в

л е г к о в ы ч и с л и т ь

по

ф о р м у л а м

общ ей

т е о р и и

картографических

проекций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р = тп\

 

 

. с о

 

т - п

 

 

 

 

 

 

sin — = --------.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

т + п

 

 

Отметим, что несколько иной способ получения этой проекции был рассмотрен Н.А.Урмаевым в 1962 г., а для случая отображения поверхности шара соответствующая проекция была излож ена В.В.Витковским (на основании геометрических рассуждений) в 1907г.

В р а с с м а т р и в а е м о й п р о е к ц и и э л л и п с о и д а (ш а р а ) отсутствуют искажения всех видов на среднем меридиане.

-на полюсе и на среднем меридиане.

Вэтой проекции меньше искажения длин и площадей, чем в простой поликонической проекции, а картографическая сетка ортогональна.

Р а с с м о т р е н н у ю п р о е к ц и ю особенно ц е л е с о о б р а з н о использовать для картограф ирования территорий сильно вытянутых по широте и сравнительно мало - по долготе.

2.3.2.6.ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИКОНИЧЕСКИХ ПРОЕКЦИЙ

П оликони ческие проекции обладают по сравнению с

д р у г и м и

р а с с м о т р е н н ы м и вы ш е

п р о е к ц и я м и

наи б о лее

обобщающими свойствами. В них,

как правило,

частные

м асш таб ы

я в л я ю т с я ф у н к ц и я м и

и ш ироты, и

долготы,

изоколы имеют форму овалов, величины искажений меньше, а их распределение лучше, чем в других проекциях.

Поликонические проекции нашли наибольшее применение при создании карт мира.

Для характеристики достоинств этих проекций, кроме рассмотренных выше макетов с изоколами, приведем еще значения частных масштабов и наибольших искажений углов ряда из них (см. Табл.10).

 

 

 

 

 

 

 

 

Табл.10.

ф

X

0°

30°

60°

90°

120°

150°

180’

1

 

2

3

4

5

6

7

8

 

 

 

Проекпия Лагранжа

 

 

 

0

т = п

1.000

1.017

1.072

1.172

1.333

1.589

2.000

 

Р

1.000

1.035

1.149

1.373

1.777

2.524

4.000

 

о

О’.ОО

О’.ОО

0°.00

О'.ОО

О'.ОО

О'.ОО

О'.ОО

30е

т = п

1.132

1.152

1.212

1.323

1.501

1.780

2.224

 

Р

1.283

1.327

1.469

1.749

2.252

3.169

4.947

 

©

О’.ОО

О'.ОО

О'.ОО

О’.ОО

О'.ОО

О’.ОО

О’.ОО

60°

т = п

1.795

1.823

1.910

2.068

2.316

2.693

3.263

 

Р

3.222

3.323

3.649

4.275

5.364

7.253

10.649

(0

О'.ОО 0°.00 0°.00 0°.00 0°.00 0°.00

О’.ОО

фX

1

0т

п

Р

СО

30°

т

 

п

 

Р

 

со

о чо

т

О

 

 

п

 

Р

 

со

90°

т

 

п

 

Р

 

со

0т

п

Р

со

30° т

п

Р

со

Продолжение таблицы 10

 

 

о

 

 

 

 

о°-

30°

40

О

90°

120 °

150°

180°

 

2

3

4

 

5

6

7

8

Ортогональная

поликоническая

 

 

1.000

1.137

1.548

2.234

3.193

4.427

5.935

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.137

1.548

2.234

3.193

4.427

5.935

0°

7.35

24.84

44.86

63.07

78.32

90.73

1.000

1 .1 0 1

1.385

1.802

2.239

2.799

3.289

1.000

0.983

0.936

0.866

0.785

0.700

0.618

1.000

1.082

1.296

1.561

1.758

1.959

2.033

0°

6.49

22.31

41.08

57.48

73.72

86.26

1.000

1.033

1.114

1 .2 1 1

1.301

1.375

1.433

1.000

0.951

0.829

0.684

0.549

0.438

0.351

1.000

0.982

0.924

0.828

0.714

0.602

0.503

0“

4.74

16.87

32.29

47.97

62.24

74.67

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

0.936

0.785

0.618

0.477

0.369

0.288

1.000

0.936

0.785

0.618

0.477

0.369

0.288

0°

3.79

13.84

27.31

41.48

54.89

67.12

Равновеликая

поликоническая

 

 

1.000

1.138

1.552

2.242

3.208

4.450

5.968

1.000

0.879

0.644

0.446

0.312

0.225

0.168

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

0°0

14.77

48.82

83.85

110.75

129.34

141.95

1.000

1.105

1.364

1.688

2.026

2.358

2.677

1.000

0.912

0.752

0.619

0.522

0.454

0.403

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

0°

13°.09

3 6 4 8

58°.07

75°.27

о

98°.20

ОО ОО к)

фX

1

0 40О

т

 

п

 

Р

 

со

90°

т

 

п

 

Р

 

СО

0”

т

 

п

 

Р

 

со

30°

т

 

п

 

Р

 

со

О 40

т

О

 

 

п

 

Р

 

со

90°

т

 

п

Р

Продолжение таблицы 10

0°

30°

О

90°

120°

150°

180°

40

2

3

4

5

6

7

8

1.000

1.034

1.124

1.254

1.406

1.568

1.737

1.000

0.968

0.894

0.812

0.742

0.688

0.649

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

О’.ОО

4 U 8

14°.30

NJ о ООО

39°.91

51°.58

61°.80

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

1.000

о°.о

о°.о

О’.О

0”.0

о°.о

о°.о

о°.о

 

Простая

поликоническая

 

 

1.000

1.137

1.548

2.234

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

1.000

1.138

1.552

2.242

 

 

 

0°00

7°24'

24°54'

44°54'

 

 

 

1.000

1.10 2

1.404

1.894

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

1.000

1.103

1.404

1.883

 

 

 

0”00

5°36'

19°36'

3642'

 

 

 

1.000

1.034

1.129

1.270

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

1.000

1.034

1.128

1.264

 

 

 

0°00

Г54'

7° 12'

14°06'

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

1.000

1.000

1.000

1.000

 

 

 

со

0°00

0°00

0°00

0°00

А н а л и з и с к а ж е н и й п о к а з ы в а е т , что п о л и к о н и ч е с к и е проекции могут быть успеш но прим енены д ля созд ан и я карт

к р у п н ы х

р еги о н о в , особенно в ы т я н у т ы х в д о л ь с р е д н е го

м еридиана

и сравн и тельно мало по долготе.