Текст книги "Слово о карте"
Автор книги: Алексей Куприн
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 10 страниц)
РОЖДЕНИЕ КАРТЫ
Путь создания карты
Мало кто знает, каких усилий стоит создание карты. В нее вложен кропотливый и нелегкий, зачастую полный лишений труд многих людей различных специальностей. Летчики произвели аэрофотосъемку, геодезисты создали каркас карты в виде пунктов триангуляции, фотограмметристы и топографы выполнили дешифрирование аэроснимков, показали условными знаками предметы местности и зарисовали рельеф, картографы отредактировали содержание карты, чертежники оформили издательский оригинал, и, наконец, картоиздатели отпечатали тираж (рис. 47).
Рис. 47. Путь создания карты.
Так, пройдя большой путь, рождается топографическая карта – подробная и точная красочная картина местности.
Не всегда карта была такой точной и подробной, и не всегда проходила она такой путь. Но общим в «биографии» карты остается одно: она рождается в результате съемки местности. Способов съемки существует много – от простейших, в результате которых получаются схематические карты, до самых совершенных, с применением сложнейшей аппаратуры, обеспечивающей высокую точность.
Простейшие съемки
Съемки местности проводились еще в глубокой древности. Задолго до нашей эры египтяне разработали приемы деления земельных участков в прибрежной полосе Нила. Это приходилось делать часто, так как Нил ежегодно разливался в период дождей и менял свое русло. Вероятно, египтяне сначала делили земельные участки, не пользуясь предварительно составленным планом размежевания. Трудности этой задачи бесспорны. Можно предполагать, что вскоре появилась идея начертить план местности с сохранением подобия фигур – форм участков местности. Появился масштаб – один из важнейших признаков плана. Несмотря на то, что точность планов в древнее время была невысокой, тем не менее люди уже тогда пользовались ими для решения практических задач.
Сейчас каждый из вас может легко сделать простейший план любого участка местности. Для съемки требуется планшет – картонная папка с наклеенным листом бумаги и прикрепленным компасом, а также трехгранная линейка для визирования, карандаш, резинка и булавка. При съемке планшет можно держать в руке, подвесить на груди с помощью ремешка, положить на пень и т. п., но удобнее пользоваться подставкой для планшета, изготовленной из трех палок, скрепленных в виде треноги.
На небольшом участке съемку ведут полярным способом с одной точки стояния, которую выбирают в таком месте, откуда видна вся снимаемая местность. На планшете в точку стояния вкалывают булавку. Затем ориентируют планшет и производят визирования на местные предметы. Для этого линейку прикладывают к булавке, слегка поворачивая, поочередно наводят на снимаемые предметы и откладывают расстояния до них. При каждом визировании планшет ориентируют, т. е. следят за тем, чтобы отсчет по компасу против северного конца магнитной стрелки был одним и тем же.
Измерение расстояний до предметов можно производить шагами. Обычно длина шага равна половине человеческого роста, считая до уровня глаза. У взрослого человека она составит в среднем 0,7–0,8 м.
Для получения наиболее точных результатов измерений необходимо проверить длину своего шага – узнать так называемую «цену» шага. Проверку лучше всего вести на шоссейной дороге с километровыми столбами. Расстояние между ними нужно пройти несколько раз ровным шагом, после чего вычислить его среднюю величину.
Допустим, в 1000 м среднее количество шагов получилось равным 1430. Значит, длина шага будет равна 0,7 м (1000/1430).
Шаги считают обычно парами. Замечено, однако, что при счете шагов парами та нога, под которую ведется счет, устает быстрее, поэтому шаги удобнее считать тройками. В этом случае счет будет приходиться поочередно то на левую, то на правую ногу. После небольшой тренировки можно привыкнуть считать шаги механически, не сбиваясь со счета при рассматривании местности.
Если участок местности имеет значительные размеры, то съемка ведется с нескольких точек стояния (переходных точек). Каждая последующая переходная точка определяется прочерчиванием направления с предыдущей точки и откладыванием расстояний в масштабе съемки (рис. 48).
Рис. 48. Глазомерная съемка участка местности.
Удаленные предметы, видимые с точек стояния, можно наносить засечками (таким способом нанесен сарай). Рекомендуется вначале определить на планшете положение переходных точек, а уже затем вести с них съемку обычным полярным способом.
Глазомерная съемка особенно широко применяется по маршрутам следования туристов, путешественников. В этом случае масштаб съемки будет более мелким и зависит от протяженности маршрута: чем больше маршрут, тем мельче масштаб. Расстояния между переходными точками должны быть максимальными и, как правило, совпадать с точками поворотов. Их определяют с помощью шагомера или по времени движения. Местные предметы по сторонам хода снимают обычно на глаз. Основные ориентиры и контуры можно получить полярным способом или засечками с переходных точек.
Для глазомерной съемки используют те же условные знаки, что и для топографических карт. Особыми знаками вычерчивают населенные пункты, леса и кустарники. Населенные пункты изображают общим контуром с разрывами проездов, к которым подходят дороги; внутри контура дается штриховка с юго-запада на северо-восток. Условный знак леса вычерчивается в определенном порядке. По линии контура, которая впоследствии должна быть аккуратно стерта, вписываются через небольшие интервалы крупные полуовалы. Затем они соединяются между собой более мелкими полуовалами. Кусты обозначаются одним крупным и тремя более мелкими овалами.
Более точной из простейших съемок местности является экерная, т. е. съемка по перпендикулярам. В отличии от полярного способа (рис. 49, а) здесь каждый элемент местности накосят, откладывая измеренные расстояния по двум взаимно перпендикулярным направлениям (рис. 49, б).
Рис. 49. Разновидности съемок местных предметов: а – полярный способ; 6 – при помощи экера.
Основной прибор такой съемки – экер – прибор для построения прямых углов; его легко сделать самим. Возьмите две гладкие дощечки, скрепите их крест-накрест и насадите на палку с заостренным концом. С помощью линейки и угольника нанесите на крестовике две взаимно перпендикулярные линии, на концах дощечек воткните по булавке – экер готов. Чтобы построить на местности прямой угол, установите прибор на исходную точку и смотрите вдоль булавок, закрепленных на одной дощечке. В створе этих булавок ваш товарищ должен поставить вешку. Вторая вешка устанавливается в створе двух других булавок.
Вместо экера можно воспользоваться обычным треугольником. Приложите треугольник прямым углом к глазу и по одному катету свизируйте на вешку, от которой хотите отложить прямой угол. Не перемещая треугольник, осторожно переведите взгляд вдоль другого катета и в этом направлении выставьте вешку или заметьте какую-либо точку местности.
Наиболее просто перпендикуляр можно построить на глаз. Делается это так. Вытяните одну руку вдоль плеч в направлении линии, от которой нужно отложить прямой угол, а вторую – с приподнятым на уровне глаз большим пальцем – вперед. Смотрите на большой палец правым глазом, если вытянута правая рука, и левым – если вытянута левая рука. Вам остается лишь отметить на земле прямую линию от места, где вы стояли, к замеченному предмету – это и будет искомый перпендикуляр. Несмотря на свою простоту, этот прием при некоторой тренировке обеспечивает достаточную точность построения на местности прямых углов.
При экерной съемке план вычерчивают дома, как говорят топографы – в камеральных условиях. А в поле на каждую съемочную линию составляют абрис, на котором схематически наносят местные предметы и подписывают расстояния до них. Расстояния указывают в виде дроби: в числителе – от начала линии до основания перпендикуляра, в знаменателе – по перпендикуляру до предмета (рис. 50).
Рис. 50. Абрисная линия (а) и составленный по ней план ручья (б).
Познакомимся еще с одним оригинальным способом глазомерной съемки.
Известный ученый-исследователь С. В. Обручев в 1932 г. прибыл с экспедицией на крайний северо-восток. Предстояло обследовать весь Чукотский полуостров. Труден для любых работ район Арктики. Нелегко было организовать географические исследования на таких обширных пространствах. Как же это сделать: на оленях, собаках, лыжах? Понятно, что таким способом экспедиция не смогла бы выполнить поставленную задачу.
С. В. Обручев и его спутник – картограф К. А. Салищев в решили организовать географические исследования с помощью самолета. С высоты 1000–1500 м отважные исследователи вели воздушную визуальную съемку по маршрутам. Вдоль точно проложенных линий полетов исследователи зарисовали полосы местности шириной до 50 км. Эти полосы служили основой для создания карты, по которой в дальнейшем проводились наземные исследования.
Съемка с высоты птичьего полета
Еще в прошлом столетии во время путешествий Н. М. Пржевальского и Д. Ливингстона воздушная фотосъемка стала проникать в топографию. Пионером воздушного фотографирования был близкий друг писателя-фантаста Жюля Верна воздухоплаватель Феликс Турнашон, известный под именем Надара. В 1858 г. он поднялся на аэростате над Парижем и произвел съемку города с высоты птичьего полета. Это была сенсация.
Прошло менее века, и фотографирование с воздуха, называемое аэрофотосъемкой, заняло ведущее место при создании карт. В ясные дни в небе появляется самолет. Он летит по участку с запада на восток, фотографируя местность через равные промежутки времени. Пролетев маршрут, самолет разворачивается и летит обратным курсом по новому маршруту, перекрывая на треть уже пройденный соседний маршрут.
Широкому распространению аэрофотосъемки способствовало исключительно быстрое получение изображений огромных пространств земной поверхности для составления топографических карт. Во время съемки фотопленка запечатлевает все детали земной поверхности с точностью, не доступной самому зоркому наблюдателю.
Преимущество аэрофотоснимков заключается в том, что они совершенно свободны от субъективного восприятия наблюдателя. На каждом аэрофотоснимке изображается довольно большой участок местности, что позволяет подробно и точно определить взаимное положение местных предметов и элементов рельефа.
На аэрофотоснимке можно безошибочно опознать (дешифрировать) населенные пункты, выделить массивы леса, проследить реки, дороги. Специалисты достаточно точно отличают обычный лес от редкого или низкорослого, луг от пашни и т. д. Вместе с тем процесс дешифрирования аэрофотоснимков не является угадыванием того, какие объекты на них изображены. Оказывается, если внимательно рассматривать аэрофотоснимки, то можно обнаружить определенные закономерности, называемые дешифровочными признаками. Такие признаки, которые на всех аэрофотоснимках соответствуют одним и тем же объектам местности, принято называть прямыми. К ним чаще всего относят размер, форму и тон изображения. Кроме прямых имеются косвенные признаки топографического дешифрирования, которые позволяют довольно точно определять объект в совокупности с другими. Примером может служить брод, который легко опознается по дорогам, подходящим к нему с обоих берегов реки.
Материалы воздушного фотографирования используются не только в картографии, но и во многих других областях народного хозяйства. В этих целях наряду с аэрофотоснимками нашли широкое применение космические снимки, с которыми вы познакомитесь в следующем разделе.
Одной из основных характеристик аэрофотоснимка является его масштаб. Отчего же он зависит? Во-первых, от высоты фотографирования. С малых высот получают крупномасштабные аэрофотоснимки, а чем больше высота съемки, тем масштаб снимка мельче. Тем не менее с таким ответом согласиться нельзя. Взгляните на рис. 51, где показана схема воздушного фотографирования.
Рис. 51. Схема воздушного фотографирования.
Лучи от точек местности А и В проходят через центр объектива О и попадают на пленку соответственно в точках а и Ь. Из подобия треугольников АВО и аЬО можно вывести следующую зависимость: аЬ/АВ = f/Н.
Отношение ab/AB и есть масштаб фотографирования. Он обычно выражается в виде дроби, числителем которой будет единица, а знаменателем – число, показывающее, во сколько раз размеры на карте или аэроснимке меньше соответствующих размеров на местности. А что же представляют собой обозначения f и H? Буквой f обозначено расстояние от объектива до пленки. Кто знаком с фотографированием, тот знает, что его называют фокусным расстоянием фотоаппарата. Что касается второй величины, обозначенной буквой H, то это и есть высота съемки. Значит, масштаб аэроснимка зависит не только от высоты фотографирования, но и от фокусного расстояния фотоаппарата. Чтобы убедиться в этом, решим задачу. Съемка выполнена в первом случае с самолета, пролетавшего на высоте 12 км, фотоаппаратом с фокусным расстоянием 0,2 м, а во втором случае – со спутника, удаленного от Земли на 150 км, фотоаппаратом с фокусным расстоянием 3 м. В каком случае масштаб аэрофотоснимка будет более крупным?
Подставив исходные данные в формулу, в первом случае получим
1/m = 0,2/12 000 = 1/60 000,
а во втором
1/m = 3/150 000 = 1/50 000.
Как видите, масштаб аэроснимка во втором случае получился крупнее, несмотря на то, что высота фотографирования была значительно большей.
На первый взгляд кажется, что по аэрофотоснимкам можно легко создать карту. Однако это процесс сложный, состоящий из множества операций. Прежде всего аэрофотоснимки нужно привязать к опорным пунктам, координаты которых определены геодезическими измерениями с высокой точностью. Сеть опорных пунктов – это геометрическое обоснование карты, своего рода ее каркас. Любая точка, изображенная на аэрофотоснимке, занимает строго определенное положение относительно опорных пунктов. Во-вторых, аэрофотоснимки по своим измерительным свойствам отличаются от карты, так как на них местность изображается в центральной проекции, а не в ортогональной, как на топографической карте.
В центральной проекции изображение на плоскости получается путем проектирования земной поверхности из одной точки – центра проекции. В этом случае полное подобие изображения с местностью может быть только при условии, что плоскость, на которой получается изображение, строго параллельна фотографируемой поверхности. В действительности это случается весьма редко.
Из-за колебаний самолета в полете оптическая ось аэрофотоаппарата отклоняется от вертикального положения, и поэтому фотографирование производится под некоторым углом. Кроме того, фотографируемая местность не является ровной горизонтальной плоскостью, а имеет рельеф. Вследствие указанных причин изображения контуров местности на аэроснимке получаются искаженными, т. е. смещенными от того положения, которое они должны занимать на карте. Поэтому, прежде чем превратиться в карту, аэроснимки проходят обработку на различных приборах.
Съемочное обоснование
Люди определили размеры нашей планеты, измерили площади стран, высоты поверхностей горных вершин, глубины морей и океанов, построили города, каналы и дороги, проложили путь в межпланетное пространство кораблей. Каждое из этих достижений человеческого разума не обошлось без широкого применения одной из древнейших наук о Земле – геодезии, что в переводе с греческого означает «землеизмерение».
Карта Земли также не могла быть составлена без длительной и кропотливой работы геодезистов, определявших шаг за шагом на протяжении многих лет координаты опорных пунктов на земной поверхности. Эти пункты, нанесенные по координатам на сетку параллелей и меридианов, представляют съемочное обоснование, позволяющее определять по карте точное положение любого земного объекта.
Географические координаты геодезисты определяют по звездам с помощью высокоточных астрономических приборов, а вычисления производят по довольно сложным формулам. Раньше решать эту задачу было намного труднее: широту определяли приблизительно по высоте Полярной звезды, а вот с долготой дело обстояло совсем плохо. Чтобы узнать долготу места, скажем, Пулково, где помещается главная обсерватория нашей страны, по отношению к Гринвичу, через который проходит нулевой меридиан, нужно точно знать, на сколько часов, минут и секунд разнится местное время этих пунктов. Сейчас это сделать легко: есть очень точные часы, есть радио. А всего сто с небольшим лет назад для того, чтобы сравнить пулковское время с гринвичским, пришлось снаряжать морскую экспедицию из нескольких кораблей, на которых везли 81 хронометр!
Астрономические наблюдения, с помощью которых определяют местоположение пунктов на земной поверхности, очень громоздки и требуют больших затрат времени. В 1614 г, голландский астроном В. Снеллиус предложил очень простой и точный способ определения опорных точек, который получил название триангуляции. Достаточно иметь всего два астрономических пункта А и В (рис. 52), и от них по измеренным углам α и β треугольника можно получить третий пункт С; от третьего и одного исходного пункта – четвертый D и т. д.
Рис. 52. Схема триангуляции.
Так, переходя от одного видимого издалека пункта к другому, можно покрыть треугольниками громадную полосу на поверхности Земли – вдоль любого меридиана или параллели – и вычислить длину этих отрезков градусной сетки.
Достоинство триангуляции состоит в том, что она сокращает до минимума трудоемкие линейные измерения, которые сводятся к определению лишь одной стороны – базиса, правда, измеряют его с величайшей точностью и тщательностью. Углы воображаемых треугольников измеряют угломерным прибором – теодолитом. В зрительную трубу теодолита вначале наблюдают одну вершину треугольника, потом другую и затем по горизонтальному кругу прибора отсчитывают величину угла.
Геодезические пункты с большого расстояния плохо видны. Поэтому углы большей частью измеряли ночью, зажигая на их верхушках лампы. Потом придумали, как измерять углы и днем. Один из геодезистов забирался на вышку и пускал в вершину соседнего угла солнечный «зайчик» только не карманным зеркальцем, а сложной системой зеркал. Другой наблюдатель «ловил» в трубу этот солнечный «зайчик».
Топографам при съемке карт более удобно пользоваться не географическими, а прямоугольными координатами, которые отсчитываются от двух взаимно перпендикулярных осей. В математике горизонтальная линия служит осью абсцисс X, а вертикальная – осью ординат У (рис. 53, а).
Рис. 53. Система плоских прямоугольных координат: а – в топографии; б – в математике.
В топографии оси повернуты на 90°, и являются как бы зеркальным отображением математических осей. На рис. 53, б за ось X принята вертикальная линия, совпадающая с направлением север – юг. Почему же топографы и геодезисты вошли в противоречие с математикой?
Различие в обозначении координат имеет строгое обоснование. Дело в том, что с древних времен люди пользовались компасом и по нему отсчитывали углы от северного конца магнитной стрелки. Карты, как известно, также ориентируются на север. Это в свою очередь повлекло за собой необходимость поворота осей координат, с тем чтобы сохранились знаки тригонометрических функций и при вычислениях можно было бы пользоваться обычными математическими таблицами.
Какие же линии в топографии приняты за оси X и У? Осью У служит линия экватора. От него вверх и вниз отсчитываются абсциссы. Что касается ординат, то здесь дело обстоит несколько сложнее. Для топографических карт нельзя пользоваться одной осью, так как они составляются по частям – зонам, ограниченным шестиградусными меридианами. Поэтому в каждой зоне счет ординат ведется от своего осевого (среднего) меридиана, причем значение ординаты осевого меридиана условно принимается равным 500 км (при ширине всей зоны на экваторе 667 км). Это сделано для того, чтобы ординаты во всей зоне были положительными.
Между географическими и прямоугольными координатами существует довольно сложная математическая зависимость. Упрощенно перевод географических координат в прямоугольные можно выполнить так. Допустим, пункт расположен на 50° с. ш. и 22° в. д. Каковы будут его прямоугольные координаты?
Координата х, т. е. расстояние по дуге большого круга от экватора до пункта, будет примерно равна произведению значения широты в градусах на длину дуги одного градуса. Считая дугу меридиана в 1° равной 111,1 км, получим координату х. Она равна 5555 км.
Для определения координаты у нужно прежде всего знать, в какой зоне расположен пункт. В первой зоне находятся пункты с восточной долготой от 0 до 6°, во второй – от 6 до 12°, в третьей – от 12 до 18°, в четвертой – от 18 до 24° и т. д. Значит, наш пункт, имеющий восточную долготу 22°, находится в четвертой зоне. Осевой (средний) меридиан в этой зоне 21° в. д. Географическая долгота нашего пункта 22°. Значит, он отстоит от осевого меридиана к востоку на 1°. Дуга в 1° долготы на широте 50° (табл. 3) составляет 71,7 км. К полученному числу нужно прибавить 500 км. Это делают для того, чтобы влево от осевого меридиана не получались отрицательные значения координаты у. Значит, координата у равна 571,7 км. А чтобы знать, в какой зоне располагается пункт, впереди подпишем число, обозначающее номер зоны (в нашем примере 4). Таким образом, прямоугольные координаты пункта в метрах будут равны: x = 5 555 000; у = 4 571 700.
Вся система триангуляции в нашей стране берет свое начало от центра круглого зала в Пулковской обсерватории, координаты которого определены астрономическим путем с высокой точностью. Координаты остальных пунктов триангуляции получают путем вычислений.
Пункты триангуляции, или, как их еще называют, геодезические пункты, создают на поверхности Земли великолепную систему опорных пунктов топографических съемок. По известным прямоугольным координатам их наносят на съемочные планшеты и затем уже от них производят топографическую съемку.
В настоящее время на смену классической «земной» триангуляции приходит «космическая» триангуляция. Она выполняется с помощью специальных так называемых геодезических искусственных спутников Земли. Каждый спутник, имеющий на борту радиогеодезическую аппаратуру, запускают по определенной, заранее вычисленной орбите. Наблюдения за ним ведут с трех пунктов в одно и то же, строго определенное время. Кроме углов, как в обычной триангуляции, определяют расстояния до спутника по излучаемым с него радиосигналам, а по всем этим данным вычисляют координаты пунктов.
Плоские прямоугольные координаты х, у на картах дополняют еще одной координатой – абсолютной высотой над средним уровнем моря (в СССР – Балтийского).
Чтобы измерить и нанести на карту глубину впадин, уровень морей, рек и озер, высоту холмов и гор, геодезисты и топографы со штативом, нивелиром и трехметровыми рейками, делая измерения через каждые 100–150 м, пешком прошли всю нашу страну вдоль и поперек. Это они установили, что Черное море ниже Балтийского на 70 см. Чем же это объяснить?
Вспомним сведения о форме Земли. Она представляет собой негеометрическую фигуру, называемую геоидом. Для создания карты Земля принимается за эллипсоид вращения. Принятый у нас эллипсоид Ф. Н. Красовского, хотя и является наиболее подходящим для Земли, но все же не везде плотно облегает ее фигуру. Если в районе Балтийского моря поверхности геоида и эллипсоида совпадают, то в районе Черного моря поверхность эллипсоида будет выше на 704 мм. Разница здесь небольшая, но и она учитывается при точных геодезических работах.
Высоты пунктов определяют не только геометрическим нивелированием, но и тригонометрическим: при прокладке триангуляции попутно с измерением горизонтальных углов на геодезических пунктах измеряют вертикальные углы, и по ним определяют превышения между пунктами. Таким способом, например, определялась абсолютная высота величайшей вершины мира – горы Джомолунгмы (Эверест). Еще задолго до ее покорения геодезисты различных стран пытались определить ее точную высоту, но результаты получались различными – от 8825 до 8889 м. Это объясняется тем, что вершина имеет неправильную форму и с различных мест видна по-разному. Для того, чтобы точно определить высоту, на ее вершине следовало соорудить геодезический знак. В 1975 году металлическая пирамида красного цвета высотой 3,5 м была установлена на Джомолунгме китайскими геодезистами. С девяти пунктов триангуляции, расположенных на высотах 5600–6400 м и на расстоянии 8,5-21,2 км от Джомолунгмы измерялись горизонтальные и вертикальные углы на визирную цель красной пирамиды. Одновременно была определена толщина снежного покрова на вершине. Окончательная абсолютная высота пика оказалась равной 8848,134 ± 0,35 м.
Геодезистов можно встретить в необжитой тайге, в городе, в тундре, пустыне, на любой стройке. Они со своими инструментами проводят на местности необходимые измерения, а затем приходят топографы и создают на основе измерений карты. Эти две специальности настолько близки, что в дальнейшем не будем их разделять, и, упоминая о топографах, подразумевать и геодезистов.
