第14章-海图绘制

现代海洋测绘赵建虎第十四章海图绘制CompilationandDrawingChart赵建虎本章内容绪论海图的内容和形式海图的类别划分海图的数学基础海图坐标系及分幅海图符号及要素表示制图综合海图制作与生产思考题14．1绪论海图是海洋调查研究的成果，同时又是服务于海洋开发利用的工具。海图是以海洋为描绘对象的地图，经历了漫长的发展过程。古代比较著名的历史图中，相当一部分都是将河流、海陆分布作为重要内容来表示。这些原始的海图对航海的发展和世界海洋轮廓图的逐步认识发挥了重要的作用。公元前3000－2000的古希腊和古罗马时期，随着航海事业的发达，地理知识不断丰富，海图也得到很大的发展。13世纪出现相当精确的航海图――波托兰海图，为15、16世纪空前的航海探险事业提供了条件。在这个时期有更高精度和更便于航海中使用的墨卡托海图问世了。墨卡托投影海图的出现，是海图学史上继波托兰海图之后又一个里程碑。16世纪，海图制图得到了迅速的发展。自此，世界海洋轮廓得到了准确的描绘，现代海图的雏型也在这个时期形成了。专题海图在17世纪后半叶问世了。20世纪是人类对海洋的认识愈来愈深入、全面，从而对海洋的利用由仅仅作为捕渔业的场所和水上交通的纽带而转入全面开发利用海洋各种资源的时代。我国几千年的文明史，航海事业也是源远流长。现存最早的古海图是《海道指南图》。明代是我国航海事业的鼎盛时期。明代郑和七次远航“西洋”，访问了亚、非30多个国家和地区。绘制了举世闻名的《郑和航海图》。清代早期的航海图基本上延续了明代航海图的形式，没有严格的数学基础，没有系统的水深数据。而到了清代中期以后，随着西方近代航海图的东传，以及外国人在华进行航海图测绘，我国绘制的航海图，在内容和形式上也逐渐发生了变化，向近代航海图发展。清代末期，中国所用海区的海图基本上都是外国人测绘的。民国时期，测绘的海图主要是航海图及江河水道图。解放初期在翻印出版航海图的同时，着手编制新中国成立后的第一代航海图。第一代航海图为2色或3色印刷，总的说来绘制质量较好，具有航行目标清晰、山形易于辨认等优点。50年代中期开始，开始编制第二代航海图。第二代航海图在制图精度及表示的内容等方面都有很大改善，特别是海图定型会议以后，质量更有提高。进入80年代，按新的规范、图式编制的新中国第三代航海图陆续出版。第三代航海图采用的新编号为5位数字，第一、二位数字分别为大区号、小区号，后三位数为顺序号，并通过编号中“0”的位置表示航海图的比例尺情况。海图是地图中的一个门类，可以得出海图和其它地图具有三个共同的基本特点：1.有特定的数学基础2.利用特殊的符号系统3.对制图现象的取舍和概括海图的描绘对象是海洋及其毗邻的陆地，海洋地形测量的常规方法则是利用船艇进行海洋水深测量的方法，其测量定位精度相对于陆地来说要低得多，所用仪器主要是光学仪器，海洋测量的外业成果主要是记录纸、磁带、文字数据海图的内容可归结为六大要素：海岸海底地貌航行障碍物助航标志水文及各种界线海图的基本功能表现为：①海图是海洋区域的空间模型。②海图是海洋信息的载体。③海图是海洋信息的传输工具。④海图是海洋分析的依据。海图主要服务于航海、渔业、海洋工程、国际交往、国防事业、海图历史研究等。14．2海图的内容和形式海图的内容可以划分成数学要素、图形要素和辅助要素三大类。（1）数学要素数学要素是建立海图空间模型的数学基础，是海图内容中非常重要的要素，包括海图投影及与之有关的坐标网、基准面、比例尺及大地控制网。（2）图形要素海图图形要素是借助专门制定的海图符号系统和注记来表达的。不论制图者还是用图者，不仅都要具有认识客观实际的基本能力，即海洋地理知识，还应具有认识作为传输工具的制图语言——海图符号系统的能力。（3）辅助要素辅助要素是帮助读者读图和用图的要素，虽只能起辅助和补充作用，但也是很必要的。海图图形要素分为：①海域要素②陆地要素海图主要有：①纸质海图②电子海图14．3海图的类别划分世界各国对海图的分类虽存在着较大的差异，但其共性主要表现为：①分类要有明确的分类标志，在整个分类系统中要使用同一分类标志。②分类要由总概念向分概念逐级过渡。③由总概念向分概念划分类别时，分概念的总和应等于总概念。④每一分类等级彼此之间应能明显区分，避免出现划入这类和那类两可的现象。⑤分类应考虑到稳定性，可扩展性。海图按用途分：通用海图、专用海图和航海图三大类。海图按内容可分为：普通海图、专题海图和航海图三大类。14．4海图的数学基础海图数学基础系指海图的投影、比例尺、坐标系统、高程系统（基准面）、制图网及分幅编号等内容。海图数学基础中最重要，也是最复杂的问题是海图投影的问题。地图投影的理论完全适用于海图投影，但对于某些海图，由于其特殊用途和使用要求，需采用某些特定的投影。地图投影的一般概念（1）投影函数地图数学投影就是将椭球面上元素（包括坐标，方位和距离）按一定的数学法则投影到平面上的工作。其实质是建立地球椭球面上点的地理坐标、与其平面坐标x、y之间的对应函数关系。一般数学解析式为：12()()xfyf、、式中f1、f2是单值、连续、有限的函数，随着形式的不同，产生不同种类和性质的投影。（2）投影变形地图投影的变形有长度变形、面积变形、角度变形。①长度变形若地面上微分线段投影后的长度ds’与其实地长度ds的比称长度比u，u=ds’/ds，则长度变形定义为vu=u-1。②面积变形若地面上微分面积投影后的大小dF’与其相应的实地面积dF的比称为面积比P，即P=dF’／dF，则面积变形定义为vP=P-1。③角度变形地面上某一角度投影后的角值V与其相应的实地角值u之差为角度变形。（3）投影的分类地图投影的种类很多，通常以投影的变形性质、正常位置下经纬线形状或投影面与地球椭球的相关位置不同为标志进行分类。按变形性质分类：1.等角投影2.任意投影3.等面积投影按正常位置下经纬线形状分类：1.圆锥投影2.圆柱投影3.方位投影除了上述投影外还有：伪圆锥投影、伪圆柱投影、伪方位投影、多圆锥投影等。这些投影不设辅助面，而是通过给定假定条件实现投影。投影的选择投影选择是根据所编地图的特定用途、要求和制图区域的条件，选择一种最优投影，建立严格科学的数学基础，使地图最大限度地符合用图者的要求。投影选择的一般原则是：①充分考虑各种投影的变形特征，所选择投影的变形要尽可能小，并符合地图的用途；②单幅图选择投影时，要考虑与之配合使用的图的投影尽可能一致。③在保证上述要求的前提下，尽可能选择经纬网图形简单的投影，以便计算、展绘、作业和使用。④新编图的投影与基本资料图的投影尽可能一致或接近，以便作业、投影转换和保证成图精度。投影选择的实质，是根据不同用途对地图投影变形特性有不同要求，来确定何种投影的问题。所以，投影选择时需要考虑如下因素：（1）制图区域和地图比例尺的大小。（2）制图区域的形状和地理位置。（3）地图的用途。（4）地图的内容。（5）地图的使用方式。除了上述影响外，地图出版方式、制图工作的便利等也是影响投影选择的重要因素。根据上述原则，给出各种海图的投影选择。1、航海图的投影选择船舶航行时通常保持分段等角航行。因此，航海图的投影必须是等角的，墨卡托投影（等角正圆柱投影）具有这种性质，国际海道测量组织IHO要求航海图采用墨卡托投影。2、普通海图的投影选择普通海图包括海底地势图（海区形势图）和海底地形图。这两类图比例尺不同，包含的地理区域不同，用途也不同，其投影的选择也必然会有差异。（1）海底地势图此类图一般比例尺较小，包含的地理区域较大。为便于指挥联络，海底地势图与航海图采用统一的投影是合适的。同时，考虑到地势图对投影的变形要求不高，因此，各国出版的海底地势图，绝大多数采用墨卡托投影。（2）海底地形图此类图比例尺相对较大，要求有较高的量测精度。这类图可供选择的投影较多，各个国家常常根据本国的地图位置、区域形状、投影使用习惯，以及与陆地地形图协调一致等来选择投影。3、专题海图的投影选择专题海图的内容很广泛，表示方法也很多。综合各国经验，与航海有关的各种专题海图，即航海参考图，应采用墨卡托投影编制。各种非航海用的专题海图，如只作为参考用，对限制投影变形没有特定要求时，也应尽可能采用墨卡托投影。从目前出版的多数海图集来看，其主要投影仍然还是墨卡托投影。大致有下列情形：航海图集或航海参考图集。这类海图集均采用墨卡托,投影。各种专题海图集和综合性海图集。它们虽然不是航海图集，或者主要不是供航海参考用，但其中的大部分图集或图集中的大部分图幅均采用墨卡托投影。某些图集中的部分序图，如世界海洋图、大洋图等小比例尺形势图，可采用习惯的其它常用投影，如伪圆柱投影、多圆锥投影等。墨卡托投影墨卡托投影是等角正圆柱投影，具有如下特点：（1）经线是相互平行的直线，而且相同度数间隔的经线之间的距离也相等。（2）纬线也是平行的直线，相同度数的间隔随纬度的增大向两极逐渐伸长（渐长），至极地为无穷大。由于随纬度渐长的特点，又称它为渐长投影。（3）经线与纬线成正交（相助垂直）。（4）投影面上同一点的两方向线（大地线或大圆弧）的切线的夹角与实地一致。当比例尺较大时，方向线近似于直线。（5）等角航线在投影平面上是一条直线，而大地线（椭球面上两点间最短距离）或大圆（把椭球体视为球体时）在投影平面上是一条凸向极地的曲线。墨卡托投影的性质图墨卡托投影是等角投影，没有角度变形，但存在长度变形。即：0cos1cosv（14-1）墨卡托投影存在面积变形。根据变形理论，当视地球为球体时，面积变形（vp）为：202cos1cospv（14-2）正圆柱面相交于椭球或球体的平行圈称基淮纬线，基准纬线的纬度叫基准纬度。当制作同比例尺成套航海图时，如果制图范围不大，常取制图区域内的中央纬度作为基准纬度；如果范围较大，则应视制图区域的地理位置而定，若跨赤道两侧，或在低纬度地区，也可以整个区域的中央纬度作为基准纬度，在其它地区，可将整个区域再成若干分区，在每个分区内选择一个基准纬度。对应比例尺的墨卡托投影海图制作时，只有确定基准纬度之后才能进行图廓范围和制图网的计算。图上经差每单位长度和纬差间每单位长度都是根据基准纬线上的长度来计算的。基准纬线上经差每分之长在某比例尺海图上的长度，称为制图单位e0，以厘米计算：000PeC（14-3）投影计算公式是把椭球（或球）面上的地理坐标值，换算成投影平面上的直角坐标的公式。一般以x代表纵坐标，y代表横坐标。墨卡托投影海图上以厘米为单位的（x，y）坐为；xDy（14-4）上式是一般的墨卡托投影公式，所求得的平面直角坐标值x、y都以“分”为单位；这个坐标系的原点是零子午线与赤道的交点，即纵坐标x从赤道起算，横坐标y自零子午线起算。所以此公式不适宜于实际应用。为了便于作业，应把坐标原点平移到图幅的左下图廓点上，使纵坐标x自南图廓起算，横坐标y自西图廓起算；同时还应把以“分”为单位的坐标值换算为以“厘米”为单位的图上坐标值，即乘以制图单位e0，所以墨卡托投影的实用公式为；1010()()xDDeye（14-5）式（14-5）中λ、λ1为已知值，e0已如上述，可根据已知基准纬线和比例尺从表中查取。因而，墨卡托投影四个图廓点和图中控制点的图上坐标值的计算，主要是D值的查取和计算。一般有下列三种方法：（1）查表一次线性内插计算法：1160DDt（14-6）（2）查表二次线性内插计算法：1(60)2IItt（14-7）1111213600IIsDDD＝（+-2）（14-8）（3）公式计算法渐长纬度值D可用下列公式计算：7915.70447lg(45)23.04892sin+0.01290sin32Dtg（14-9）为了满足航行定位与量距的需要，航海图的图廓线上，都绘有经纬度细分的分划。对于运用墨卡托投影制作的航海图来说，上下横图廓的每单位经差之长都是相等的，细分就是等分。但在左右纵图廓上，由于纬