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地圖投影
瀏覽量:0發(fā)布時(shí)間:2023-03-06 14:13:48
  定義

  地圖,Map Projection.把地球表面的任意點(diǎn),利用一定數(shù)學(xué)法則,轉(zhuǎn)換到地圖平面上的理論和方法。書面概念化定義:地圖投影就是指建立地球表面(或其他星球表面或天球面)上的點(diǎn)與投影平面(即地圖平面)上點(diǎn)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法。即建立之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式。它將作為一個(gè)不可展平的曲面即地球表面投影到一個(gè)平面的基本方法,保證了空間信息在區(qū)域上的聯(lián)系與完整。這個(gè)投影過(guò)程將產(chǎn)生投影變形,而且不同的投影方法具有不同性質(zhì)和大小的投影變形。

  原理

  由于投影的變形,地圖上所表示的地物,如大陸、島嶼、海洋等的幾何特性(長(zhǎng)度、面積、角度、形狀)也隨之發(fā)生變形。每一幅地圖都有不同程度的變形;在同一幅圖上,不同地區(qū)的變形情況也不相同。地圖上表示的范圍越大,離投影標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯線或投影中心的距離越長(zhǎng),地圖反映的變形也越大。因此,大范圍的小比例尺地圖只能供了解地表現(xiàn)象的分布概況使用,而不能用于精確的量測(cè)和計(jì)算。地圖投影的實(shí)質(zhì)就是將地球橢球面上的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)。用某種投影條件將投影球面上的地理坐標(biāo)點(diǎn)一一投影到平面坐標(biāo)系內(nèi),以構(gòu)成某種地圖投影。

  起因

  由于地球是一個(gè)赤道略寬兩極略扁的不規(guī)則的梨形球體,故其表面是一個(gè)不可展平的曲面,所以運(yùn)用任何數(shù)學(xué)方法進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換都會(huì)產(chǎn)生誤差和變形,為按照不同的需求縮小誤差,就產(chǎn)生了各種投影方法。按變形性質(zhì),地圖投影可分為四類:等角投影、等(面)積投影等距投影和任意投影。

  發(fā)展史

  最早使用投影法繪制地圖的是公元前3世紀(jì)古希臘地理學(xué)家埃拉托色尼。在這之前地圖投影曾用來(lái)編制天體圖(不過(guò)天體圖的投影是從天球投影到平面,而不是地球;但兩者原理相同)。埃拉托色尼在編制以地中海為中心的當(dāng)時(shí)已知世界地圖時(shí),應(yīng)用了經(jīng)緯線互相垂直的等距離圓柱投影。1569年,比利時(shí)的地圖學(xué)家墨卡托首次采用正軸等角圓柱投影編制航海圖,使航海者可以不轉(zhuǎn)換羅盤方向,而采用大圓直線導(dǎo)航??ㄎ髂岣缸釉O(shè)計(jì)的用于三角測(cè)量的投影及蘭勃特提出的等角投影理論和設(shè)計(jì)出的等角圓錐、等面積方位和等面積圓柱投影,使得17-18世紀(jì)的地圖投影具有了時(shí)代的特點(diǎn)。19世紀(jì),地圖投影主要保證大比例尺地圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),以適應(yīng)軍事制圖發(fā)展和地形測(cè)量擴(kuò)大的需要。19世紀(jì)還出現(xiàn)了高斯投影,它是德國(guó)高斯設(shè)計(jì)提出的橫軸等角橢圓柱投影,這種投影法經(jīng)德國(guó)克呂格爾加以補(bǔ)充,成為高斯-克呂格爾投影。19世紀(jì)末期以后俄國(guó)一些學(xué)者對(duì)投影作了較深入地研究,對(duì)圓錐投影常數(shù)的確定提出了新見(jiàn)解,又提出了根據(jù)已知變形分布推求新投影和利用數(shù)值法求出投影坐標(biāo)的新方法。20世紀(jì)50年代以來(lái)中國(guó)提出了雙重方位投影、雙標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線等角圓柱投影等新方法。20世紀(jì)60年代以來(lái),美國(guó)學(xué)者對(duì)地圖投影的研究結(jié)果,提出空間投影、變比例尺地圖投影和多交點(diǎn)地圖投影,為人造地球衛(wèi)星等提供了所需的投影。

  分類

  1、按變形方式分

  (1)等角投影,又稱正形投影,指投影面上任意兩方向的夾角與地面上對(duì)應(yīng)的角度相等。在微小的范圍內(nèi),可以保持圖上的圖形與實(shí)地相似;不能保持其對(duì)應(yīng)的面積成恒定的比例;圖上任意點(diǎn)的各個(gè)方向上的局部比例尺都應(yīng)該相等;不同地點(diǎn)的局部比例尺,是隨著經(jīng)、緯度的變動(dòng)而改變的。多用于地形圖、航空?qǐng)D、航海圖。

  (2)等(面)積投影,地圖上任何圖形面積經(jīng)主比例尺放大以后與實(shí)地上相應(yīng)圖形面積保持大小不變的一種投影方法。等積投影相反,保持等積就不能同時(shí)保持等角。多用于面積精度要求高的自然地理地圖和社會(huì)經(jīng)濟(jì)地圖。

  (3)任意投影。任意投影為既不等角也不等積的投影,其中還有一類“等距(離)投影”,在標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯線上無(wú)長(zhǎng)度變形。一般用于教學(xué)地圖。

  2、根據(jù)正軸投影時(shí)經(jīng)緯網(wǎng)的形狀分類

  a>幾何投影( 利用透視的關(guān)系,將地球體面上的經(jīng)緯網(wǎng)投影到平面上或可展位平面的圓柱面和圓錐面等幾何面上。)分以下三種:

  (1)平面投影(plane projection) ,又稱方位投影,將地球表面上的經(jīng)、緯線投影到與球面相切或相割的平面上去的投影方法;平面投影大都是透視投影,即以某一點(diǎn)為視點(diǎn),將球面上的圖象直接投影到投影面上去。

  (2)圓錐投影(conical projection),用一個(gè)圓錐面相切或相割于地面的緯度圈,圓錐軸與地軸重合,然后以球心為視點(diǎn),將地面上的經(jīng)、緯線投影到圓錐面上,再沿圓錐母線切開(kāi)展成平面。性質(zhì):地圖上緯線為同心圓弧,經(jīng)線為相交于地極的直線。

  (3)圓柱投影(cylindrical projection),用一圓柱筒套在地球上,圓柱軸通過(guò)球心,并與地球表面相切或相割將地面上的經(jīng)線、緯線均勻的投影到圓柱筒上,然后沿著圓柱母線切開(kāi)展平,即成為圓柱投影圖網(wǎng)。

  (4)多圓錐投影:投影中緯線為同軸圓圓弧,而經(jīng)線為對(duì)稱中央直徑線的曲線。b>條件投影(非幾何投影)

  a.偽方位投影,在正軸情況下,偽方位投影的緯線仍投影為同心圓,除中央經(jīng)線投影成直線外,其余經(jīng)線均投影成對(duì)稱于中央經(jīng)線的曲線,且交于緯線的共同圓心。

  b.偽圓柱投影,在圓柱投影基礎(chǔ)上,規(guī)定緯線仍為同心圓弧,除中央經(jīng)線仍為直線外,其余經(jīng)線則投影成對(duì)稱于中央經(jīng)線的曲線。

  c.偽圓錐投影,投影中緯線為同心圓圓弧,經(jīng)線為交于圓心的曲線。

  3、根據(jù)投影面與地球表面的相關(guān)位置分類(投影軸與地軸的關(guān)系)

  (1)正軸投影(重合):投影面的中心線與地軸一致

  (2)斜軸投影(斜交):投影面的中心線與地軸斜交

  (3)橫軸投影(垂直):投影面的中心線與地軸垂直

  4、幾何投影中根據(jù)投影面與地球表面的關(guān)系

  (1)切投影

  (2)割投影

  5、投影的應(yīng)用

  (1)圓錐投影:主要應(yīng)用于中緯度地區(qū)沿著東西伸展區(qū)域的國(guó)家地區(qū)。

  (2)圓柱投影:是圓錐投影的一個(gè)特殊情況,正軸圓柱投影表現(xiàn)為相互正交的直線。等角圓柱投影(墨卡托)具有等角航線表現(xiàn)為直線的特性,因此最適宜編制各種航海、航空?qǐng)D。

  (3)方位投影:等變形線為同心圓,最適宜表示圓形輪廓的區(qū)域,如表示兩極地區(qū)的地圖。

  常見(jiàn)種類

  常用的投影方法有墨卡托投影(正軸等角圓柱投影)、高斯-克呂格投影、斜軸等面積方位投影、雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等角圓錐投影、等差分緯線多圓錐投影、正軸方位投影等。

  基本方法

  幾何透視法

  幾何透視法是利用透視的關(guān)系,將地球體面上的點(diǎn)投影到投影面(借助的幾何面)上的一種投影方法。如假設(shè)地球按比例縮小成一個(gè)透明的地球儀般的球體,在其球心或球面、球外安置一個(gè)光源,將球面上的經(jīng)緯線投影到球外的一個(gè)投影平面上,即將球面經(jīng)緯線轉(zhuǎn)換成了平面上的經(jīng)緯線。幾何透視法是一種比較原始的投影方法,有很大的局限性,難于糾正投影變形,精度較低。絕大多數(shù)地圖投影都采用數(shù)學(xué)解析法。

  數(shù)學(xué)解析法

  數(shù)學(xué)解析法是在球面與投影面之間建立點(diǎn)與點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)數(shù)學(xué)的方法確定經(jīng)緯線交點(diǎn)位置的一種投影方法。大多數(shù)的數(shù)學(xué)解析法往往是在透視投影的基礎(chǔ)上,發(fā)展建立球面與投影面之間點(diǎn)與點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系的,因此兩種投影方法有一定聯(lián)系。

  地圖投影的建立系假定有一個(gè)投影面(平面、可展的圓錐面或圓柱面)與投影原面(地球橢球面)相切、相割或多面相切

  所示。用某種投影條件將投影原面上的地理坐標(biāo)點(diǎn)一一投影到平面坐標(biāo)系內(nèi),即構(gòu)成某種地圖投影。其實(shí)質(zhì)是將地球橢球面上地理坐標(biāo)(φ、λ)轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)(x、y)。它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

  x=f1(φ、λ);y=f2(φ、λ)

  式中f1、f2為函數(shù)。

  投影變形

  地圖投影

  地圖是一個(gè)平面,而地球橢球面是不可展的曲面,把不可展的曲面上的經(jīng)緯線網(wǎng)描繪成平面的圖形,必然會(huì)發(fā)生各種變形。這就使地圖上不同點(diǎn)位的比例尺不能保持一個(gè)定值,而有主比例尺和局部比例尺之分。通常地圖上注明的比例尺系主比例尺,是地球縮小的比率,而表現(xiàn)在不同點(diǎn)位上的實(shí)際比例尺稱之為局部比例尺。地圖投影的變形,有角度變形、面積變形和長(zhǎng)度變形。但不是所有投影都有這3種變形,等角投影就沒(méi)有角度變形,等面積投影就沒(méi)有面積變形,其他投影這 3種變形都同時(shí)存在。了解某種投影變形的大小和分布規(guī)律,才能明確它的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。地圖投影的變形可用變形橢圓形象地來(lái)解釋。變形橢圓是地球橢球面上以一點(diǎn)的半徑為單位值的微分圖,投影在平面上一般是一個(gè)微分橢圓。用它可以解釋投影變形的特性和大小。

  常用投影

  正軸割圓錐等面積投影(等積圓錐投影)

  投影參數(shù):

  起算緯度:0°或10°N

  中央經(jīng)線:105°E 或110°E

  標(biāo)準(zhǔn)緯線1:25°N

  標(biāo)準(zhǔn)緯線2:45°N 或47°N

  采用原因:

  1、中國(guó)大部分地方屬于中低緯度地區(qū),故采用圓錐投影。

  2、中國(guó)疆域遼闊,緯度跨度很大(有50°的緯差),故必須用割投影(雙標(biāo)準(zhǔn)緯線)來(lái)控制形變。

  3、為強(qiáng)調(diào)各省區(qū)之間和中國(guó)與相鄰國(guó)家之間的面積對(duì)比關(guān)系,采用等面積投影。

  應(yīng)用

  制圖的區(qū)域的位置、形狀和范圍,地圖的比例尺、內(nèi)容、出版方式影響了投影的種類。比如在極地就應(yīng)該是正軸方位投影,中緯地區(qū)使用正軸圓錐投影。

  制作地形圖通常使用高斯-克呂格投影,制作區(qū)域圖通常使用方位投影、圓錐投影、偽圓錐投影,制作世界地圖通常使用多圓錐投影、圓柱投影和偽圓柱投影。但通常而言,要依據(jù)實(shí)際情況具體選擇。
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