1、现代海洋测绘,赵 建 虎,第十四章 海 图 绘 制 Compilation and Drawing Chart,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,141 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30002000的古希腊和古罗马时期，随着航海事业的发达，
2、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
3、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
4、。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：有特定的数学基础利用特殊的符号系统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
5、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： 海图是海洋区域的空间模型。 海图是海洋信息的载体。 海图是海洋信息的传输工具。 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。,142 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
6、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： 海域要素 陆地要素海图主要有： 纸质海图 电子海图,143 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： 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。 分类要由总概念向分概念逐级过渡。 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。 每一分类等级彼此
7、之间应能明显区分，避免出现划入这类和那类两可的现象。 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。,144 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
8、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：,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。 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。 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=dFdF，则面积变形定义为vP=P - 1。 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
9、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： 等角投影 任意投影 等面积投影,按正常位置下经纬线形状分类： 圆锥投影 圆柱投影 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： 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； 单幅图选择投影时，要考虑与之配合使用的图的投
10、影尽可能一致。 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。 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。
11、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
12、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
13、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
14、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：,（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（v p）为：,（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
15、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：,（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；,（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
16、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；,（14-5）,式（14-5）中、1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：,（14-6）,（2）查表二次线性内插计算法：,（14-7）,（14-8）,（3）公式计算法渐长纬度值D可用下列公式计算：,（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
17、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，由于纬差具有嵌长的性质，即在同一条经线上，表示不同纬度的每分每秒的分划长度都是不等的。因而，在纵图廓上的纬差分划不能用平均细分的方法。为了制图作业的方便，一般将纵图廓线分成若干小段（即经段区间），然后在每一线段区间内再进行等分。这样，对制图工作方便了，但每一细分的分划与实际就产生了误差。,这时，为了使每一分划的长度误差都不超过制图规范要求的限差（一般为0.1毫米），就必须对线段区间加以限制，这允许等分的线段区间，称为渐长区间。渐长区间公式如下：,（14-10）,在地球面上与所有的子
18、午线相交成同一角度的航线称为等角航线，又称恒向线。船只在航行中，与子午线交角的关系有三种情况：一是沿子午线航行，即航向为0或180； 二是与子午线垂直航行，即航向为90或270；三是与子午线成斜交航行。 一般的航向都与子午线有一个斜交角，即所谓“斜航线”。,由于地球面上的子午线向极地逐渐收敛，斜航线必然会随子午线的收敛而弯曲，才能保持等角。,等角航线及其投影图,在地球表面上，由于子午线收敛，最后各子午线均交于极点，因而，与各子午线保持等角的斜航线也必然是向极地逼近的螺旋曲线。因为斜航线的航向不是0或180，所以，螺旋曲线多次穿过同一子午线而永远不能到达极点。,等角航线的特征,正因为等角航线在地
19、球表面上是曲线，所以它不是实地两点间的最短距离。若将地球视为球体，两地间的最短距离是通过该两点及球心所作的平面与球面相交的大圆弧。,大圆弧,大圆弧在墨卡托投影航海图上的形状不是直线，大圆弧在墨卡托投影航海图上呈凸向极地的曲线，而等角航线就是该圆弧所张的弦。,大圆弧在图上的形状,斜方位墨卡托投影是墨卡托投影的另一种情况。斜墨卡托投影即等角斜轴切圆柱投影。适合于编制斜方向航线上的航行图。更适合于编制长途飞行的小比例尺航空图。,斜方位墨卡托投影,计算斜方位墨卡托投影海图时应注意图幅范围要在小比例尺图上设计，精确量取四个图廓点的经纬度，展点所用的坐标值，应是以斜方位图左下图廓点为原点的平面直角坐标值。
20、计算步骤为：（1）计算图廓大小及横图廓线与纬线的交角（旋转角）。（2）决定所要计算的经纬线从小比例尺图中四个图廓点内量取，精确到整度或整分。（3）计算左上图廓点的经度。（4）根据各点的经度、渐长纬度及制图单位，算出各图廊点在正方位墨卡托投影海图上的坐标值 （5）计算各经纬线与图廓线交点的坐标。（6）计算出控制点。,海图比例尺海图比例尺指海图上某方向微分线段长度与实地投影到地球椭球面上相应线段长度之比。用数学式表达为：,尽管海图比例尺随线段的位置和方向而变化，但在海图上一般仍只注一个比例尺。这个比例尺只在图上某些部位（点或线）上是正确的，如墨卡托投影的基准纬线上、高斯一克吕格投影的中央经线上、日
21、晷投影的投影中心（切点）上。这一比例尺称为主比例尺。其余部位的比例尺均大于或小于主比例尺，它们称为局部比例尺。,145 海图坐标系及分幅编号,坐标系的概念海图上用于定位的坐标网都采用地理坐标网。,地理坐标,确定坐标系包括两个方面的内容： 确定把大地水准面上的测量成果化算到椭球面上计算工作中所用的椭球的大小； 确定椭球体与大地体的相关位置，这项工作称为椭球体的定向。,建国初期，我国采用的是1954北京坐标系。到八十年代，我国建立了陕西泾阳大地原点为起算点的1980年坐标系。,坐标系对海图制图的影响是显而易见的。当使用不同坐标系的海陆资料编制新图时，需进行坐标系转换。坐标系转换方法一般有如下几种：
22、若制图资料的坐标系均为已知坐标系，且知其转换数据，可根据已知数据推算出统一的坐标网。这种转换数据可由两个渠道获得，一是向系统掌握有转换数据的部门索取；二是某些海图上注有坐标网位移的说明。若无法得知各基本资料的坐标系和转换数据，这时，首先要对各图上的控制点和其它要素加以比较，证明并找出坐标系的差异，然后找到可用于坐标改正的共同控制点或有精确位置点的共同地物。,海图的分幅和编号 海图分幅是海图编制的第一道工序，是海图编辑设计的重要环节。海图分幅质量的优劣，直接影响海图的使用价值。海图的分幅一共有： 挂图的分幅 海底地形图的分幅 航海图的分幅,1、海图符号的概念及分类海图把海域及沿海陆地的各种信息依
23、靠海图符号表达给用户，海图符号是海图作为信息传递工具所不可缺少的媒介。它具有：能对客观事物进行不同程度的抽象、概括和简化。海图符号赋予海图极大的表现能力。 海图符号还能提高海图的应用效果。,146 海图符号及要素表示,按分布范围，海图符号可分为： （1）点状符号 （2）线状符号 （3）面状符号 按符号的尺寸与海图比例尺的关系，海图符号可分为： （1）依比例尺符号 （2）半依比例尺符号 （3）不依比例尺符号,2、海图图式世界各国航海图的生产都对海图符号有统一的的规定，这种规定即为海图图式，它包含了绘制航海图的全部符号和缩写，也是绘制其它海图的基本符号。目前，大多数国际海道测量组织成员国在制定本国
24、的海图图式时，都参照1952年国际上规定的海图图式。1954年1月，中国人民解放军海军司令部海道测量部出版了海军水道图图例。1980年，我国进行航海图书改革，其中包括制定新的海图图式。并与1982年出版。,3、海底地貌的表示方法 海底地貌表示法亦称海底地形表示法。常用的方法有： （1）符号法 （2）深度注记法 （3）等深线法 （4）明暗等深线法 （5）分层设色法 （6）晕渲法和晕滃法 （7）晕滃法 （8）写景法,4、专题要素的表示方法专题海图上表示的专题要素方法主要有： （1）个体符号法 （2）线状符号法 （3）质地法 （4）等值线法 （5）范围法 （6）点值法 （7）定点图表法 （8）分区统
25、计图表法 （9）分级统计图法 （10）动线法,5、海图注记海图注记系指海图上的各种文字和数字。其主要功能是沟通制图工作者和用图者，实现信息传输。海图注记以文字和数字来表达。文字注记可分地名注记、专门地物注记、说明注记及其它注记。数字注记则主要包括图廓的经纬度注记、各种高度的注记及各种编号注记等。,147 制图综合,海图内容的压缩、化简和图形关系处理的制图技术，称为制图综合。任务是在海图用途比例尺、制图资料和制图区域地理特点等条件下，按照特定的原则和方法解决海图内容的详细性与清晰性、几何精确性与地理适应性的对立统一问题，实现海图符号和图形的有效建立。,（1）内容的选取海图内容的选取，就是根据海图
26、的用途、比例尺和区域特点，选取主要的要素，舍弃次要的要素。为了正确地选取海图内容编图时一般都规定各类要素的选取标准，即确定要素的数量指标及质量指标。确定数量和质量指标的方法，主要有资格法、定额法及平方根定律法等。 （2）形状的化简形状的化简主要用于呈线状与面状分布的要素以及表示地貌的等高线（等深线）等。形状简化的主要方法是删除、合并和夸大。,（3）数量特征的概括制图物体数量特征的显示，受海图用途和比例尺的限制。随着比例尺的缩小，制图物体的数量特征在图上的显示趋向概略，这种方法即称为数量特征的概括。数量特征概括的具体方法有分级合并、取消低等级别和用概括数字代替精确数字三类。 （4）质量特征的概括
27、质量特征是指决定制图物体性质的所有特征。质量特征在图上的显示，同数量特征一样，受海图用途和比例尺的限制，随着比例尺的缩小，质量特征在图上的显示趋于概略和简单，这种方法即称为质量特征的概括。,（5）制图物体的移位制图物体的移位是通过移位来突出反映制图物体的主要特征，解决由于比例尺缩小而出现的地理适应性问题。制图物体的移位通常有两种情况： 制图物体形状概括产生的移位 处理相邻物体间的关系所产生的移位,148 海图生产,海图的生产过程，一般是指根据海洋测量和调查获取的海洋地理信息以及其它资料编制成海图出版原图，并复制成若干份成品的整个过程。这一过程分为： 海图的编辑设计 海图编绘 海图的复制出版,（
28、1）海图的编辑设计海图的编辑设计是海图编绘前的编辑工作。具体设计工作包括： 确定图的性质、特点和制图范围； 确定数学基础及精度要求； 确定海图分幅、图面配置； 广泛搜集、分析、评价资料，确定资料使用程度和方法； 研究制图区域的地理特点、对象分布规律，确定表示内容、制订表示方法，确定选取指标和概括原则； 制订图例符号，确定制图工艺和程序； 制订作业计划和组织实施； 编写指导海图编绘和印刷前准备工作的技术设计书。,（2）海图编绘海图编绘是指制作海图和出版原图的过程。按照海图编绘规范、编图大纲和编图计划等编辑设计文件规定进行编图作业，是整个海图生产过程中的核心环节。一般包括下列工作： 展绘数学基础；
29、 资料加工处理； 各要素按综合原则、方法和指标进行内容取舍和图形概括，并按规定的图例符号和色彩进行编绘； 处理各种图面问题，包括资料拼接，与邻图接边、接幅，图面配置等。,编辑方法根据海图内容的繁简、制图技术、设备条件而选定，有： 编稿法 连编带绘（刻）法 计算机辅助编绘法,海图编绘过程,（3）海图的复制出版多数海图复制一般由专门的印刷厂印刷，不是海图编制部门的任务。从这个意义上说，海图复制通常不作为海图成图的一个阶段。但是，海图出版原图若不经过印刷等手段复制若干份，就不能广泛提供使用，不能发挥其应有的效用。因此作为用户手中的海图，复制是其生产过程中一个十分重要的阶段。海图印刷阶段包括印刷工艺方案的制订，印刷原图的复照、翻版、分涂和修版、晒制印刷版（以上称制版），打印清样、上车胶印（以上称印刷），成品检验等工序。全称海图制版印刷，简称海图制印。,海图包括那些内容？那些形式？ 简述海图的分类体系 简述墨卡托投影的特点、投影原理和过程 海图分类编号的基本原则是什么? 简述海图综合绘制的过程,思考题,
