maps-and-exploration
Анализ прогнозов карт: сохранение расстояний, областей или направлений?
Table of Contents
Введение в картографические прогнозы
Каждая плоская карта Земли — это компромисс. Поскольку планета — трёхмерный сфероид, любая попытка сплющивания её поверхности на двумерный лист неизбежно вносит искажения. Эта фундаментальная задача веками побуждала картографов к разработке математических преобразований, известных как проекции карт. Карточная проекция — это систематический метод перевода широт и долгот с изогнутой Земли на плоскую плоскость. Ни одна проекция не может сохранить все пространственные свойства одновременно; каждый тип проекции отдаёт приоритет одному или нескольким из трёх ключевых атрибутов: расстояниям, областям и направлениям. Понимание этих компромиссов необходимо для выбора правильной проекции для данной цели— будь то навигация, статистический анализ или общая ссылка.
Выбор проекции может резко повлиять на то, как мы воспринимаем мир. Например, знакомая проекция Меркатора преувеличивает размер высокоширотных областей, в то время как проекция Галла-Петера сохраняет площадь, но искажает формы. Следующие разделы разбивают три основные цели сохранения и проекции, которые их обслуживают.
Типы картографических прогнозов
Картографические проекции широко классифицируются по геометрическим свойствам, которые они сохраняют, но они также могут быть классифицированы по их методу строительства (цилиндрические, конические, азимутальные или псевдоцилиндрические) или по аспекту земного шара, используемому для разработки проекции (нормальные, поперечные или косые). Наиболее распространенная система классификации группирует проекции на три категории, основанные на сохранении: конформные (сохраняющие углы и местные формы), равные области (сохраняющие площадь) и равноудаленные (сохраняющие расстояния от одной или двух точек). Четвертая категория, компромиссные проекции, искажение баланса по всем свойствам без строгого сохранения какой-либо одной.
Каждый тип имеет сильные и слабые стороны, которые делают его пригодным для конкретных применений. Например, конформные проекции идеально подходят для навигации, равномерные для тематического отображения плотности или распределения и равноудаленные для измерения радиальных расстояний. Следующие разделы детально исследуют каждое свойство сохранения.
Сохранение расстояний: равноудаленные прогнозы
Эквидистантные проекции поддерживают истинные расстояния вдоль конкретных линий или от центральной точки. Ни одна плоская проекция не может сохранять расстояния между каждой парой точек на Земле, поэтому равноудаленные проекции ограничивают точное измерение одной или двумя опорными линиями. Наиболее распространенной характеристикой является то, что расстояния от центральной точки (или вдоль меридиана) представлены в масштабе.
Как работают равномерные прогнозы
В равноудаленной проекции шкала постоянна вдоль одной или нескольких линий. Например, равноудаленная коническая проекция сохраняет расстояния по всем меридианам и по одной или двум стандартным параллелям.Азимутальная равноудаленная проекция сохраняет расстояния от центральной точки до любой другой точки на карте. Это делает её полезной для карт радиоволнового диапазона или для отображения области вокруг конкретного города.
Общие равноудаленные прогнозы
- Равномерная цилиндрическая (Plate Carrée): Простая проекция, где экватор и все меридианы одинаково разнесены.Расстояния вдоль меридианов верны, но области и формы сильно искажены в сторону полюсов.
- Азимутальная равноудаленная: Часто используемая для полярных регионов, эта проекция показывает истинные расстояния большого круга от центральной точки.На эмблеме Организации Объединенных Наций используется азимутальная равноудаленная проекция, сосредоточенная на Северном полюсе.
- Равномерный конический:] Стандарт для региональных карт среднеширотных районов, таких как США, поскольку он сохраняет расстояния вдоль меридианов и обеспечивает разумную площадь и точность формы вблизи стандартных параллелей.
Торговля и случаи использования
Эквидистантные проекции приносят в жертву форму и точность площади для поддержания точности расстояния. Например, проекция Plate Carrée вызывает сильное искажение площади вблизи полюсов, делая Антарктиду такой же широкой, как экватор. Однако для приложений, требующих измерения расстояний от концентратора (например, кольца авиационного диапазона, зоны реагирования на чрезвычайные ситуации), незаменимы равноудаленные проекции. Они также используются в геодезии самолетов и небольших картах отдельных стран, где точность расстояния вдоль меридианов имеет решающее значение.
Внешний ресурс: Документация ArcGIS Pro предлагает подробные объяснения свойств и использования равноудаленных проекций.
Сохраняющиеся территории: прогнозы равной зоны
Равномерные (или эквивалентные) проекции гарантируют, что любой регион на карте имеет ту же площадь относительно земного шара, что и в действительности. Это свойство жизненно важно для тематического картирования, где необходимо сравнение размера географических единиц, таких как плотность населения, урожайность или распределение земельного покрова. Компромисс заключается в том, что формы, углы и расстояния обычно искажаются, особенно вблизи краев проекции.
Математика равных зон
Проекции равной площади поддерживают постоянное соотношение между областью на карте и соответствующей областью на глобусе. Это достигается путем тщательного контроля искажения масштаба вдоль меридианов и параллелей. Например, в проекции Моллвейда меридианы сжимаются вблизи полюсов для коррекции преувеличения площади, наблюдаемого в цилиндрических проекциях.Проекция Галла-Петера использует цилиндрический подход, но сокращает расстояние параллелей к полюсам для сохранения площади, в результате чего карта, где Африка и Южная Америка кажутся растянутыми вертикально, но правильно измеренными относительно Северной Америки и Европы.
Выдающиеся прогнозы равной зоны
- Моллвейд: Псевдоцилиндрическая проекция, создающая карту мира овальной формы. Она сохраняет площадь во всем мире, сохраняя при этом центральный меридиан прямым. Формы наиболее точны вблизи центра и становятся всё более искаженными по краям.
- Галл-Питерс: Цилиндрическая проекция на равную площадь, которая стала спорной для замены проекции Меркатора во многих образовательных контекстах. Она точно показывает относительные размеры континентов, но сильно искажает формы, особенно на высоких широтах.
- Альберс Равноареальный коник: Часто используется для картографирования крупных стран с протяжённостью восток-запад, таких как США или Китай. Он использует две стандартные параллели для минимизации искажений по картографируемому региону и широко используется в статистическом картографировании.
- Ламберт Азимуталь Равноареальный: Обычно применяется к картам континентального масштаба, особенно полярных регионов или отдельных континентов. Он сохраняет площадь, обеспечивая при этом более визуально сбалансированную форму, чем цилиндрические проекции на равные площади.
Приложения и ограничения
Проекции равной площади являются стандартом для хороплитных карт, карт плотности точек и любой визуализации, где сравнение областей является первичным. Например, Отдел народонаселения ООН использует проекции равной площади для отображения глобальных распределений населения. Однако искажение форм может ввести в заблуждение зрителей, которые ожидают знакомые контуры. Проекция Галла-Петерса, например, показывает Африку как очень высокую и тощую, что может быть дезориентирующим. Равным образом, эллиптическая форма проекции Моллвейда затрудняет выравнивание направлений компаса (кривая меридианов). Несмотря на эти компромиссы, картографы соглашаются, что для количественных сравнений географических регионов проекция равной площади является единственным справедливым выбором.
Для более глубокого погружения в принципы равной области обратитесь к руководству Британской библиотеки по проекциям карт .
Сохранение направлений: Конформные проекции
Конформные проекции сохраняют локальные углы и формы, а это означает, что в любой точке карты пересечение линий широты и долготы образует прямой угол, а небольшие особенности сохраняют свою правильную форму. Это свойство имеет важное значение для навигации, поскольку прямая линия, нарисованная на конформной карте (линия ромба), представляет собой постоянный подшипник компаса. Однако конформность приходит за счет искажения площади— особенности, далекие от стандартной линии или точки, сильно преувеличены в размере.
Как неформальные прогнозы достигают точности
Конформные проекции поддерживают масштаб во всех направлениях от любой заданной точки, но масштаб изменяется от точки к точке. Например, проекция Меркатора является конформной, но ее масштаб резко увеличивается с широтой, что делает Гренландию больше, чем Южная Америка, хотя Южная Америка почти в восемь раз больше. Ключевой особенностью является то, что формы небольших объектов (например, островов, береговых линий) локально верны, но размер этих объектов не соответствует действительности.
Примечательные неформальные проекции
- Меркатор: Разработанный в 1569 году Джерардусом Меркатором, этот цилиндрический проекционный аппарат был революционным для навигации, поскольку любая прямая линия является линией постоянного подшипника (линия хумба). Он по-прежнему широко используется для морских карт и веб-карт (например, Google Maps использует вариант под названием Web Mercator).
- Lambert Conformal Conic: Используется для аэронавигационных карт и региональных карт среднеширотных районов, сохраняет форму хорошо над картографируемым регионом, с искажением, минимизированным вдоль двух стандартных параллелей.
- Поперечный меркатор: Вариант, где цилиндр вращается на 90 градусов так, что линия напряжения является меридианом. Это формирует основу системы координат Universal Transverse Mercator (UTM), широко используемой для топографического картирования и GPS-координат.
- Облик Меркатора: Полезно для картирования удлинённых областей, которые не выровнены с экватором или меридианом, таких как Аляскинский панхандл или длинная дуга спутниковой наземной трассы.
Конформные проекции в современном мире
Проекция Меркатора, несмотря на ее серьезное искажение области, доминировала на картах мира на протяжении веков, потому что она обеспечивала полезную навигационную помощь. Сегодня ее наиболее широкое использование в приложениях веб-картирования. Проекция Web Mercator по умолчанию для Google Maps, Bing Maps, OpenStreetMap и большинства небрежных интерфейсов карты. Этот выбор обусловлен вычислительным удобством (простая математика, хорошая для кэширования плитки) и тем фактом, что пользователи ожидают, что север всегда будет вверх. Однако это означает, что вблизи полюсов области дико преувеличены. Например, на стандартной карте Web Mercator Гренландия выглядит такого же размера, как Африка, когда в действительности Африка в 14 раз больше. Многие преподаватели и картографы выступают за альтернативные проекции в классе и контекстах атласа.
Для навигационного и военного картографирования система UTM на основе Transverse Mercator обеспечивает чрезвычайно точное локальное представление форм и углов, что делает её золотым стандартом для наземных операций.Пилоты полагаются на диаграммы Ламберта Конформного Коника для построения маршрутов, поскольку небольшие углы остаются правильными.
Подробнее о конформных проекциях и их истории см. в USGS Professional Paper 1395, «Картографические проекции: Рабочее руководство» .
Компромисс и гибридные прогнозы
Ни одна проекция не сохраняет идеально расстояния, области и направления. Компромиссные проекции пытаются сбалансировать эти искажения, не выделяясь ни в одном свойстве. Они часто используются для общих справочных карт мира, где зрителям нужно визуально приятное представление с относительно низким общим искажением.
Проекция Робинсона
Разработанная Артуром Робинсоном в 1963 году, эта проекция была разработана для создания визуально привлекательной карты мира, которая уменьшает преувеличение полярных регионов, сохраняя при этом узнаваемые формы. Она не является ни конформной, ни равной по площади, но ее искажения умеренны по всей карте. Национальное географическое общество использовало проекцию Робинсона для своих карт мира с 1988 по 1998 год, прежде чем перейти на Winkel Tripel.
Winkel Tripel Projection (Проектирование тройничного стекла)
Созданный Освальдом Винкель в 1921 году, этот средний из равноудаленных цилиндрических и Эйтоффских проекций даёт карту с низкими искажениями как в области, так и в форме. Он стал стандартом для многих эталонных атласов, включая Национальное географическое общество с 1998 года. Винкель Трипель предлагает отличный баланс: расстояния достаточно точны от краев, формы менее искажены, чем в проекциях равной площади, а искажения области менее серьезны, чем в конформных проекциях.
Другие компромиссные варианты
- Eckert IV: FLT:1 псевдоцилиндрическая проекция на равных участках, которая также обеспечивает довольно низкое искажение формы на большей части карты.
- Равная проекция Земли: Относительно новая проекция (2018), которая направлена на объединение свойств равной площади с более эстетичной формой, близко напоминающей проекцию Робинсона, сохраняя при этом истинную площадь.
- Гуд гомолозин: Прерванная проекция, которая «разрезает» карту в океанах, чтобы уменьшить искажение. Она сохраняет как площадь, так и форму в каждой доли, но является прерывистой.
Компромиссные прогнозы являются выбором по умолчанию для большинства карт мира в учебниках и средствах массовой информации, поскольку они обеспечивают узнаваемую и интуитивную картину Земли без крайних искажений Меркатора или Галл-Питерса.
Как выбрать проекцию
Выбор правильной проекции зависит от цели карты, масштаба, региона и аудитории. Вот ключевые критерии принятия решения:
- Навигационный или направленный анализ: Используйте конформную проекцию, такую как Меркатор (для постоянного подшипника) или Ламберт Конформный Коник (для региональных диаграмм).
- Сравнения по площади (тематическое картирование): Используйте проекцию на равную площадь, такую как Albers Equal-Area Conic или Mollweide.
- Измерение расстояния от точки: Используйте равноудаленную проекцию, как Азимутал Эквидистант.
- Общие справочные или классные карты: Используйте компромиссную проекцию, такую как Winkel Tripel или Robinson.
- Интерактивные веб-карты: Должна использовать проекцию, которая эффективно клеится; Web Mercator является стандартом де-факто, но поставщики часто предоставляют альтернативные проекции для целей визуализации.
- Полярные области: Используют стереографические (конформные) или азимутальные равноудаленные/равномерные проекции, сосредоточенные на полюсе.
В современном ГИС-программном обеспечении (например, QGIS, ArcGIS Pro) пользователи могут легко перепроектировать данные на лету. Ключом является выбор проекции, минимизирующей искажения для конкретной области и аналитической цели. Для локальных или региональных карт лучше всего работают конические проекции (Lambert Conformal Conic или Albers Equal-Area).
Исторический контекст и эволюция
Изучение картографических проекций восходит к древним грекам. Фалесу из Милета приписывают одну из первых проекций (гномоничную), а география Птолемея описала конические и цилиндрические проекции. Эпоха исследований стимулировала спрос на навигационные карты, что привело к проекции Меркатора 1569 года. В 19-м и 20-м веках наблюдался взрыв новых проекций, с математиками и картографами, стремящимися уменьшить конкретные искажения. Сегодня с помощью компьютерных алгоритмов мы можем создавать пользовательские проекции, которые минимизируют искажения для любого заданного набора точек, метод, известный как наименее-объектные проекции или оптимизированные проекции. Принятие Национальным географическим обществом Winkel Tripel иллюстрирует, как развивающиеся картографические стандарты смещаются в сторону баланса и точности для глобальной аудитории.
Оригинальное название: The Art of Compromise
Все плоские карты лежат. Задача картографа — выбрать, какая ложь наиболее приемлема для предполагаемого использования карты. Проекции, сохраняющие расстояния, приносят в жертву форму и площадь; те, которые сохраняют области, искажают расстояния и направления; и конформные проекции преувеличивают размер. Понимание этих компромиссов позволяет пользователям карт критически интерпретировать пространственную информацию и выбирать подходящий инструмент для каждой задачи.
В эпоху цифрового картографирования, когда пользователи могут увеличивать масштабы по всей планете на своих телефонах, основная проекция часто невидима. Тем не менее, выбор проекции влияет на все, от воспринимаемого размера стран до точности измерений расстояния. Изучая принципы равноудаленных, равных по площади и конформных проекций, вы получаете возможность читать карты проницательным глазом и создавать карты, которые честно представляют данные, которые они передают.