航海学-第二章:海图课件.ppt
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- 航海 第二 海图 课件
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1、航海学航海学 航海学航海学 缪克银缪克银李红磊李红磊J M I 李红磊李红磊 海图(chart)是以海洋及其毗邻的陆地为描述对象的地图;是为航海需要而专门绘制的一种地图。海图上详细地绘画了航海所需要的资料,如岸形、岛屿、礁石、浅滩、沉船、水深、底质和水流资料等。海图是航海的重要工具之一。在航行前拟定计划航线、制订航行计划,航行中进行航迹推算和定位,以及航行后总结航行经验、发生海事后判断事故责任等,都离不开海图。第一篇 基础知识第二章 海 图 1、地图投影 2、恒向线 3、墨卡托投影海图 4、港泊图与大圆海图的投影方法 5、海图的绘制与出版 6、识图 7、海图的分类与使用注意事项 8、电子海图J
2、 M I lhl121 地图投影一、地图投影与比例尺 地图投影就是按照一定的数学方法把地球表面描述到平面上去,实质上就是将地面上的经纬线按一定的数学法则绘画到平面上去,建立地图的经纬线图网。要把不可展曲面投影成平面而避免裂隙和皱褶,就必须拉伸或压缩经纬线,这就不可避免地要产生投影变形,即产生长度变形、角度变形和面积变形。因此,应根据不同的需要,选用不同的投影方法控制地图的变形。J M I lhl121 地图投影一、地图投影与比例尺 设A为地面上任意一点,在它的某一定的方向上有线段AB,如果将它投影到地图上去,变成图上线段ab,则该地图在A点的这个方向上的比例尺(C)就为:这种比例尺称为局部比例
3、尺,由于存在投影变形,且各不同地方变形可能不同,所以在同一张地图上各点的局部比例尺可能不相同,甚至有时在同一地点不同方向上的局部比例尺也不相同,所以我们说局部比例尺要表明是什么方向上的局部比例尺。C=lim abAB0ABJ M I lhl121 地图投影一、地图投影与比例尺 一般在地图上注明的比例尺,称为普通比例尺(nature scale)或基准比例尺。它大约是图上各个局部比例尺的平均值,或者是等于图上某点或某条线上的局部比例尺。有时为了便于几张海图联合起来使用,上述的基准点或线也可以不在某张图的图区范围内。一、地图投影与比例尺l局部比例尺与基本比例尺的关系 1)某点纬度大于基准纬度,则该
4、点局部比例尺大于基本比例尺2)某点纬度小于基准纬度,则该点局部比例尺小于基本比例尺J M I lhl200020040060080010001012345cable121 地图投影一、地图投影与比例尺 海图比例尺的表示方法有两种,一种是数字比例尺,一种是直线比例尺。数字比例尺直线比例尺1:200 000 1:1 000 000 J M I lhl121 地图投影一、地图投影与比例尺 海图比例尺决定着海图的精度。正常人的眼睛只能清楚地分辨出图上大于0.1mm的两点间的距离。在海图制图工作中,线划的绘画误差一般也不超过0.1mm。因此,实地水平长度按比例尺缩绘到图上时,不可避免地有0.1mm的误差
5、。这种相当于海图上0.1mm的实地水平长度,叫做比例尺的精度,或叫做海图的极限精度。海图比例尺极限精度(m)3001:1 000 0001:2 990 0001002991:200 0001:990 00020991:100 0001:190 00010191:20 0001:90 000291:20 0002 海图作业的最高精度也是与海图比例尺有关的。如果用削尖的铅笔在图上画一小点,其直径最小也有0.2mm。这就是海图作业时能够分辨和量出的最小距离。所以,在数值上,海图作业的最高精度等于海图极限精度的2倍。J M I lhl121地图投影二、地图投影的分类按投影的变形性质分类按构成地图图网的
6、方法分类等角投影等积投影任意投影平面投影圆锥投影圆柱投影条件投影J M I lhl等角投影 又称为正形投影。它是一种投影图上无限小的局部图像与地面上相对应的地形保持相似的投影方法。其具有以下特点:1)地面上的一个无限小的微分圆投影到图上仍然是圆;2)地面上的任意一个角度投影到图上仍然保持角度不变;3)图上任意点各个方向上的局部比例尺相等,不同点的局 部比例尺随经纬度的变化而变化;4)从整体上来讲,其仍然是有变形的,地面上不同地点两 个相同大小的微分圆,投影到地图上可能变成两个不同 大小的圆。J M I lhl等积投影 它是一种投影图上与地面上相对应处的面积成恒定比例的投影。等积投影就不能够同时
7、保持等角。等角与等积在同一投影中是不可能同时被满足的,也就是说,等角的所有特点等积都不具备。任意投影 它是既不等角也不等积的各种投影方法,是根据某种特殊需要或为了解决某种特定问题,而制作地图的投影方法。J M I lhl平面投影 将地面上的经纬线直接投影到与地球面相切或相割的平面上去的投影方法,其能够保证从投影中心到任何一点的方位角均保持与实地相等,所以又称为方位投影,其实质上是一种透视投影,即以空间中某点为视点,将球面上所有的点直接投射到投影面上去的投影方法,按照视点位置不同可分为三类。外射投影极射投影视点在球面,常用来制作半星球图心射投影视点在球心,常用来制作大圆海图、大比例尺港湾图,极区
8、图,也称日晷投影视点在球外,航海中使用不多J M I lhl圆锥投影 利用展开的圆锥面来作为辅助面来进行投影,即通过某种数学法则,将地面上的经纬线投影到圆锥面上去,然后沿圆锥母线切开展平,按照圆锥轴线与地轴的位置关系可分为正圆锥投影、横圆锥投影、斜圆锥投影三种形式。如每种又可按变形性质分为等角、等积、任意三类。正圆锥投影横圆锥投影斜圆锥投影J M I lhl圆柱投影 利用展开的圆柱面来作为辅助面来进行投影,即通过某种数学法则,将地面上的经纬线投影到圆柱面上去,然后沿圆柱母线切开展平,按照圆柱轴线与地轴的位置关系可分为正圆柱投影、横圆柱投影、斜圆柱投影三种形式。如每种又可按变形性质分为等角、等积
9、、任意三类。正圆柱投影横圆柱投影斜圆柱投影J M I lhl122 恒向线 众所周知,在平面上,两点之间的最短距离是直线,沿着目标方位线方向不变行走,是到达目标的最近距离。但是,地球作为圆球体时,球面上两点的最短距离不可能用直线来表示,此时两点之间的最短航程实际上是连接两点的大圆弧。但是大圆弧大多与每条子午线相交成不同的角度,这样就要求驾驶员在航行中不断改变航向。如果船舶在航行中航向时刻保持不变,这时船舶航行的轨迹就是我们所说的恒向线。J M I lhl122 恒向线一、定义 如果船舶始终按恒定的航向航行时,船舶航行的理想轨迹航迹在地球表面上是一条曲线,叫做恒向线或等角航线。在地球表面上,恒向
10、线一般表现为一条为所有子午线相交成恒定角度的、具有双重曲率的球面螺旋线,它趋向地极,但不能到达地极。J M I lhl122 恒向线二、特点 1)从球面恒向线方程式中可以看出,当航向C为000或180时,21=0,说明在这种情况下船舶沿着恒向线航行,经度没有变化,即这时的恒向线与子午线重合。此时恒向线成为从地极到地极的子午线大圆弧。2)当航向C为090或270时,tgC。但22是一个有限值,024ln24ln12tgtg 即1=2:这时船舶沿着恒向线航行,纬度没有变化,即此时恒向线与等纬圈重合。这时恒向线是赤道,或者是与赤道相平行的小圆纬度圈。J M I lhl122 恒向线二、特点 3)如果
11、取恒向线与赤道的交点作为恒向线的起始点,则恒向线方程式可以改写为:24ln202tgtgC可以断定,对应于2的每一个值,2只有一个解。它说明任意一条恒向线只与每条等纬圈相交一次。4)上式还可以改写为:ctgCetg12242 表明恒向线与每一条经线相交多次。当恒向线每绕地球一周,则它都必然与该子午线相交一次。并且交点的纬度将愈来愈高,最后接近地极,但不能到达地极。J M I lhl123 墨卡托投影海图一、航用海图必须具备的条件 1)图上的恒向线都为直线。这样驾驶员可以直接在海 图上用直线画出航向线。2)投影的性质必须是等角的。这样驾驶员可以直接将 测得的方位直接在海图上用连接测者与目标的直线
12、 标出。前面我们学习正圆柱投影的时候,就发现,正圆柱投影的经纬线相互垂直,如果航向为000、090、180、270时,恒向线确实为直线,而且,图上这四个角度与实际一致,那么其是否符合上述两个条件呢?实际上采用了一定数学方法后才能让正圆柱投影具有航用海图的条件,这就是等角正圆柱投影,也就是墨卡托投影。J M I lhl123 墨卡托投影海图二、墨卡托投影 在数学上,如果想证明墨卡托投影是否具有等角性质,即图上任意一点各个方向上的局部比例尺都相等,只需要证明任意点经线和纬线方向上的局部比例尺相等。PNEFOOBADCaradrddsdddYOXdMPMPadfecbadJ M I lhlPNEFO
13、OBADCaradrddsdddYOXdMPMPadfecbad123 墨卡托投影海图二、墨卡托投影dMPdS=adrd=ar lim abAB0AB lim bcBC0BCdMP=ardS dMP:纬度线到赤道距离的微小增量a:赤道半径r:等纬圈半径d:经度的微小增量ds:椭圆子午线段AB弧长上式经过变换以及微积分处理后,我们可以得出:2/sin1sin124lneeetgaMP 由此式可见,赤道到任一纬线之间的距离MP是一个只与纬度有关的表达式,其单位与地球椭圆体长轴半径a相同。一、大圆海图J M I lhl123 墨卡托投影海图二、墨卡托投影 为了制图方便,我们引入了1个赤道里的单位。赤
14、道里是赤道上经度1分的弧长,其长度根据各同所采用的地球椭圆体参数不同而略有不同,约为l 855.36m。对于地球椭圆体,1赤道里=aarc1。可知a=1赤道里/arc1=437.746771赤道里,代入前式可得2/sin1sin124lg70447.7915eeetgMP赤道里 在海图上看,MP就是图上任一纬线到赤道的距离与海图上1赤道里(图上经度1)的比值,所以其被称为纬度渐长率。J M I lhl123 墨卡托投影海图二、墨卡托投影 可以知道,纬度渐长率MP具有一下特征:1)由于纬度渐长率只于与纬度有关,所以每个纬线只有一个固定的纬度渐长率,随纬度升高,纬度渐长率增加。2)纬度渐长率与海图
15、的图幅、比例尺的大小无关,即不同比例尺海图上相同纬度具有共同的纬度渐长率值。3)在制作海图时,只要符合纬度渐长率,海图就具有等角的性质,就是墨卡托海图,反之亦然。4)纬度渐长率等于墨卡托海图上纬线到赤道的图上长度与图上经度1分长度的比值。J M I lhl123 墨卡托投影海图三、墨卡托海图的特点 1)图上经线为南北向相互平行的直线,其上有量取纬度或距离用的纬度图尺;纬线为东西向相互平行的直线,其上有量取经度的经度图尺,且经线与纬线相互垂直。2)图上经度1(1赤道里)的长度相等,但纬度1(1 n mile)的长度随纬度升高而逐渐变长,存在纬度渐长现象。3)恒向线在图上为直线。4)具有等角特性,
16、在图上所量取的物标方位角与地面对应角相等。5)图上同纬度纬线的局部比例相等,不同纬度的局部比例尺,随纬度的升高而增大。123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制 空白定位图的应用:1、大洋航行补充航用海图不足 2、分析海难事故推定事故责任 空白定位图的特点:1、投影方式-墨卡托投影海图 2、图幅内容:经纬度图网、罗经花 3、只标注纬度数值没有经度数值,南北纬度可以互用J M I lhl123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制 1)根据图纸大小和图幅经差,首先计算出图上经度1分 的长度;2)根据“经差(分)图上经度1分的长度”,画出图幅内整度或每隔2,5的整度经线,并相互干行;3)根据
17、图幅纬度查纬度渐长率表,得到图幅上、下纬线各自到赤道的纬度渐长率,再求出图幅上、下纬线间的纬度渐长率差,并乘以图上经度1分长度,即可得到图幅上下纬线间应有的距离。按此画出图幅上、下纬线,相互平行,并且与经线垂直;J M I lhl123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制 4)按3)同样的方法画出图幅内其他纬线 5)图上经度图尺可按图上经度1分长度等分画出;但纬度图尺最好仍以每l0分纬差,按纬度渐长率差计算画出,以提高图网的精度。J M I lhl 例:以图上1经度等于6cm的比例尺,绘制一张:120E124E,32N一36N范围的墨卡托图网。解:1图上经度1分的长度660cm 0.l c
18、m;2图幅经度范围是:124E120E4,因此图幅宽度为:6cm424cm。而相邻整度经线120E,12lE,122E,123E和124E之间的间隔均为6cm,按此画出各整度经线,并且互相平行;3纬线间间隔,按纬度查纬度渐长率表,并计算如下:123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制J M I lhl2016.232N2087.033N2158.634N2223.135N2304.536N纬度渐长率MP纬度28.837.0870.87.1671.67.2572.57.3473.4相邻纬度间在图上间距DMP1经度长度(cm)纬度渐长率差DMP123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制J
19、M I lhl123 墨卡托投影海图四、墨卡托海图图网的绘制4)按上述计算结果,画出各整度纬线,并相互平行,且垂直于经线,如图所示。J M I lhl123 墨卡托投影海图五、墨卡托海图图网的简易绘制方法绘制原理:将地球当作圆球体时,等纬圈弧长W称为东西 距,用Dep表示,其与纬度和经差D的关系是:D=Dep/cos 从公式可以看出,这相当于将墨卡托海图上等纬圈弧长Dep放大sec 倍后,才等于它对应的赤道弧长。也就是说,某纬度上纬度方向(东西方向)上的局部比例尺相对于赤道上的比例尺被放大了sec 倍,所以经线方向上的局部比例尺也随着纬度的升高被放大了sec 倍。J M I lhl123 墨卡
20、托投影海图五、墨卡托海图图网的简易绘制方法 但是在两条纬线间的经线上各点的纬度并不相同,当然各点的放大倍数(sec)也并不一致,为了作图的方便起见,简易墨卡托图网中是采用两条纬线之间的平均纬度处的放大倍数(sec(1+2)/2),作为两相邻纬线之间经线上的平均放大倍数。123 墨卡托投影海图五、墨卡托海图图网的简易绘制方法例:按上例题所述条件,绘制一简易墨卡托图网。解:1在图纸上分别画出120E,12lE,122E,123E和124E等各条整度经线,它们相互平行,间距为6cm。2.在图的下端画一垂直于经线的纬线,作为32N,的纬线。3在A点(32N,120E)处,以32N纬线为边作一角度等32
21、.5,与12lE经线相交于B点。则AB(12lE120E)sec32.5lsec32.5,即AB等于图上经度l或60个赤道里的sec平均纬度倍。所以按AB的长度在120E经线上量ACAB,过C点即可画出33N的纬度线。4用类似的方法,可以画出其它纬度线,如图所示。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、港泊图的投影方法1高斯投影:也称高斯克吕格投影,是等角横圆柱投影。把地球看作圆球体,圆柱轴位于赤道面,与地轴垂直,圆柱面与某一个子午面相切,相切的子午线叫轴子午线。我国海区1:20000及更大比例尺港泊图海图中采用高斯图法的J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、
22、港泊图的投影方法高斯投影的特点:1)具有等角正形投影的性质;2)轴子午线附近长度变形很小,远离轴子午线变形越来越大,因此它适宜用来描绘经差小,而纬差大的狭长地带;3)图上极区的变形也较小,因此它也适宜用来描绘高纬度地区的地图;4)图上有两种图网:经纬线图网与公里线图网,而后者主要是用在测量上和军事上。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、港泊图的投影方法 因为港泊图比例尺大、图区范围小,所以在中纬度以下,经纬线的弯曲非常小,甚至小于测量和制图误差,所以可以忽略不计,而将它们都当作直线,这种图可以当作墨卡托海图一样使用。采用高斯投影的主要目的是适应军事的需要,便于与陆地上地图图
23、法一致。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、港泊图的投影方法2平面图 将地面小范围内作为平面进行测量和绘制成图。它的特点是图区范围内各点的局部比例尺都相等,可以认为整个地图没有变形存在。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、港泊图的投影方法3心射投影 在心射投影中,切点及其附近是没有或者很少有变形,随着与切点距离的增加,变形将愈来愈大。因此,用心射投影来绘制切点附近小范围内的大比例尺地图。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法二、大圆海图 大圆海图是根据心射投影原理绘制,具有所有大圆弧在图上均绘成直线的特点,供设计大圆航线时求航线分点的经纬度
24、使用。心射投影中,因为任何大圆平面都通过球心,也就是视点,则投影该大圆的所有射线与投影平面相交成直线。J M I lhl124 港泊图与大圆海图的投影方法一、大圆海图 大圆海图的主要特点,在于可以用直尺直接画出表示大圆弧的直线。在这条直线上定出分点,很容易地根据直接读取的分点坐标将各分点画到航用海图上去。124 港泊图与大圆海图的投影方法l一、大圆海图 大圆海图没有等角投影的性质,所以不能直接在大圆海图上量取距离和方向J M I lhl125 海图的绘制与出版海图的绘制与出版一、海图的测量1、测量技术的发展概况测深技术 1850年前:注重岸形,忽视水深 1864年后:测深,测深锤 1935年后
25、:回声测深仪测深 1973年后:旁扫声纳大地测量:20世纪初,通过天文观测和弧度测量 20实际60年代后,卫星测量J M I lhl125 海图的绘制与出版海图的绘制与出版一、海图的测量2、测量原图的比例尺 测量原图比例尺基本上和出版的最大比例尺海图相同,原图比例尺的大小决定了该地区测量的精度,同时还决定了图上测深线的间距的大小J M I lhl125 海图的绘制与出版海图的绘制与出版一、海图的测量3、水深测量 在水道测量中,一般由一艘测深船沿着一系列测深线进行测深,期间如果发现不规则水深迹象就改用更大比例尺进行复验,但两条水深线之间的障碍物可能会被漏掉。所以对于有暗礁或沉船的海域采用钢索扫海
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