Центральная, или гномоническая, проекция считается самой древней. Ее авторство обычно приписывается Фалесу Милетскому, который, как считается, использовал косую гномоническую проекцию для создания карт звездного неба. Эта азимутальная проекция земного шара на касающуюся его плоскость в древности называлась horologium («часы») и «гороскоп», так как гномон был частью солнечных часов. В солнечных часах гномон располагается под наклоном и указывает на Северный полюс. Тень гномона указывает время в течение дня, когда Солнце движется по небу. Углы между делениями, обозначавшими часы, на циферблате солнечных часов, размеченном для определенной широты, равны углам между меридианами в гномонической проекции, центр которой располагается на этой же широте. При этом 15° долготы равносильны разнице во времени ровно в один час.
Происхождение термина «центральная проекция» неизвестно. Термин «гномическая проекция» первым использовал английский математик Уильям Эмерсон в 1749 году. Позднее, в 1836 году, британский математик Огастес де Морган ввел современный термин «гномоническая проекция». Богатство геометрических свойств этой проекции основано на том, что кривые, указывающие кратчайшие пути (то есть геодезические линии), также называемые ортодромами, изображаются прямыми. Слабое место этой проекции заключается в том, что по мере удаления от точки касания (центра карты) искажения сильно возрастают, что делает проекцию неудобной для составления карт мира. Однако ее можно использовать в других целях.
* * *
ФАЛЕС МИЛЕТСКИЙ (ОК. 624 ГОДА ДО Н. Э. — ОК. 547 ГОДА ДО Н. Э.)
О жизни и творчестве этого греческого философа и математика мало что известно. Сведения о нем дошли до нас благодаря работам более поздних философов и историков, в частности Аристотеля, Геродота и Диогена Лаэртского. Фалес, учитель Пифагора, считался первым философом Античности и первым из семи мудрецов Греции. Ему приписывается ряд геометрических открытий, два из которых объединены общим названием «теорема Фалеса».
1. Угол, вписанный в полуокружность, прямой.
2. Если на одной из двух прямых отложить последовательно несколько пропорциональных отрезков и через их концы провести параллельные прямые, пересекающие вторую прямую, то они отсекут на второй прямой пропорциональные между собой отрезки.
Хотя мы не можем точно утверждать, каков на самом деле был вклад Фалеса в науку, достоверно известно одно: он был первым математиком, которому присваивались конкретные математические открытия. Фалес считается создателем дедуктивной геометрии; различные источники приписывают ему авторство решений множества практических задач. Так, Фалес измерил размеры египетских пирамид по длине их тени с помощью вертикально расположенной палки, предсказал солнечные затмения и вычислил расстояние от корабля до берега с помощью подобия треугольников. Благодаря Аристотелю нам известно, как Фалесу удалось разбогатеть. Ученый, применив знания астрономии, предсказал высокий урожай оливок и взял под контроль маслобойни в Милете и на Хиосе. Несколько месяцев спустя, когда урожай был собран, Фалес смог диктовать покупателям свои цены. В результате он разбогател и посрамил всех, кто попрекал его бедностью и называл его философию бесполезной.
* * *
Определение и картографические свойства
Рассмотрим сферу и касательную ей плоскость. Отображением точки А на поверхности сферы, полученным с помощью центральной проекции, будет точка А' на плоскости, определяемая как пересечение прямой, проходящей через точку А и центр сферы, с этой плоскостью.
Схема центральной, или гномонической, проекции и карта, выполненная в этой проекции (центр проекции расположен на экваторе).
Это очевидно геометрическая проекция. Если мы вновь представим Землю как шар из полупрозрачного пластика, на поверхности которого нарисованы континенты, то сможем увидеть его гномоническую проекцию, если поставим шар на белый стол и разместим в центре шара точечный источник света.
Если точкой касания шара и плоскости является один из полюсов, то меридианы отображаются в виде радиальных равномерно распределенных прямых, исходящих из центра карты, где будет изображен полюс. Экватор в этом случае бесконечно удален, и его нельзя представить на карте. На такой бесконечной карте нельзя изобразить и полушарие целиком. Другие параллели будут иметь вид концентрических окружностей, центр которых совпадает с полюсом.
Карта, выполненная в полярной гномонической проекции. Центром проекции является Северный полюс.
Если точка касания шара и плоскости располагается на экваторе, то меридианы будут отображаться в виде параллельных прямых, распределенных неравномерно. Экватор в этой проекции будет выглядеть как прямая, перпендикулярная меридианам, а остальные параллели примут форму гипербол.
Если точкой касания шара и плоскости выбрать любую произвольную точку сферы, то меридианы будут изображаться в виде радиальных неравномерно распределенных прямых, указывающих на полюс. Экватор будет изображен в виде прямой, перпендикулярной только меридиану, проходящему через точку касания. Другие параллели, близкие к полюсу, примут форму эллипсов, параллель, проходящая через точку касания, будет изображена в виде параболы, остальные параллели — в виде гипербол.
Карта, выполненная в косой гномонической проекции с центром в Японии.
Вот некоторые свойства карты в гномонической проекции.
1. Как правило, круглая форма (возможно, обрезанная тем или иным способом), карта охватывает лишь часть одного из полушарий.
2. Большие круги, проходящие через точку касания, отображаются как радиальные равномерно распределенные прямые (если мы рассмотрим несколько больших кругов, отстоящих друг от друга на равные углы), а точки, удаленные от точки касания на одинаковое расстояние, примут форму окружностей с центром в этой точке.
3. Форма и распределение меридианов и параллелей будут выглядеть так, как мы описали выше. Искажение в направлении меридианов будет равно μ = 1/sin2 φ, в направлении параллелей — λ = 1/sin φ.
4. Гномоническая проекция сохраняет геодезические линии, но не сохраняет расстояния, площади и величины углов.
5. Искажение площадей, форм и углов, наименьшее в точке касания (в центре карты), будет увеличиваться по мере удаления от этой точки.
Доказать геометрическими методами, что гномоническая проекция сохраняет геодезические линии, очень просто. Геодезические линии сферы, большие круги, получаются сечением сферы плоскостью, проходящей через центр сферы. Следовательно, изображением большого круга в центральной проекции будет прямая, вдоль которой пересекаются плоскость, определяющая большой круг, и касательная плоскость, как показано на рисунке. Это доказывает, что гномоническая проекция преобразует геодезические линии сферы (ее большие круги) в геодезические линии плоскости (прямые).
Гномоническая проекция сохраняет геодезические линии и преобразует большие круги сферы в прямые на плоскости.
Кроме того, можно доказать, что это по сути единственная картографическая проекция, обладающая подобным свойством. Если говорить о сохранении площадей или углов, то этим свойством обладает множество проекций.
Чтобы определить, сохраняет ли гномоническая проекция площади и (или) углы, вычислим искажения, возникающие при ее использовании на меридианах и параллелях. Для этого построим индикатрису Тиссо для произвольной точки сферы, то есть рассмотрим окружность достаточно малого размера (в действительности она будет бесконечно малой, поэтому можно считать, что окружность располагается на плоскости, касающейся сферы в этой точке) и рассчитаем размеры эллипса, в который преобразуется эта окружность в гномонической проекции.
Представим Землю как сферу единичного радиуса. Рассмотрим плоскость проекции Т, которая касается сферы (допустим, точка касания расположена в Северном полушарии). На эту плоскость мы спроецируем часть полусферы, при этом центр проекции будет совпадать с центром сферы. Пусть А — точка сферы с широтой φ, D — диск достаточно малого радиуса r, который касается сферы в точке А.
Построим проекцию этого диска на плоскость проекции Т в два этапа. На первом этапе диск D преобразуется в диск D', который лежит в плоскости, параллельной D. Центром этого диска является точка А' — отображение точки А, полученное с помощью гномонической проекции. В силу подобия треугольников (по теореме Фалеса), как вы можете видеть на следующем рисунке, радиус r' диска D' удовлетворяет соотношению
По правилам элементарной тригонометрии
sinφ = 1/|OA'|
Имеем:
Первый этап построения гномонической проекции.
Искомым отображением будет проекция диска D' на касательную плоскость Т — уже не диск, а эллипс. В направлении «запад — восток» диск D' пересекает плоскость Т, следовательно, проекция не изменит его размеров, и длина соответствующей полуоси эллипса будет равна уже вычисленному радиусу:
r' = r/sinφ
Итак, искажение вдоль параллели будет равно:
λ = 1/sinφ
Посмотрим, как изменится диск в направлении «север — юг», и рассчитаем искажение вдоль меридиана. Так как радиус r' очень мал по сравнению с расстоянием между А' и центром проекции О, угол А'ВС (см. след, рисунок) будет очень близок к прямому углу. Так как r достаточно мал, этот угол можно считать прямым. Как следствие, проекцией отрезка длиной r', лежащего в направлении «север — юг», будет отрезок на плоскости Т длиной r":
r" = r'/sinφ = r/sin2φ
согласно правилам элементарной тригонометрии. Искажение вдоль меридиана будет равно:
Второй этап построения гномонической проекции.
Как следствие, отображением D" окружности D радиуса r в центральной проекции будет эллипс, а длины его полуосей равны:
r' = r/sinφ и r" = r/sin2φ
Можно сделать вывод: центральная проекция не сохраняет площади, поскольку, как мы уже отмечали, искажение вдоль меридианов
μ = 1/sin2φ
должно быть обратным искажению вдоль параллелей
λ = 1/sinφ
Это соотношение не выполняется:
Гномоническая проекция также не сохраняет углы, поскольку искажение вдоль меридианов и параллелей отличается.
Азимутальные проекции
В зависимости от того, какая вспомогательная поверхность используется в проекции: плоскость, цилиндр или конус — геометрические проекции делятся на азимутальные, цилиндрические (о них мы рассказали в прошлой главе) и конические. Использование цилиндра и конуса обусловлено тем, что эти поверхности являются развертывающимися, то есть их можно развернуть на плоской поверхности без изменения метрических свойств.
Проекции делятся на азимутальные, цилиндрические и конические в зависимости от того, какая поверхность используется в качестве вспомогательной: плоскость, цилиндр или конус.
Помимо этих основных поверхностей, могут использовать и другие, необязательно развертывающиеся: так, в проекции «броненосец» (Эрвин Райш, 1943) сфера проецируется на поверхность тора (напомним, что тор — поверхность в форме бублика), после чего строится ее ортогональная проекция на плоскость.
Хотя алгоритмические проекции описываются математическими формулами и не имеют геометрической интерпретации, они, как правило, также делятся на азимутальные, цилиндрические и конические в зависимости от своих свойств.
Но вернемся к азимутальным проекциям. Живительно, что они не называются просто «планарными» или «плоскими». Откуда взялось слово «азимутальный»?
Для данной точки А земной поверхности и других двух точек, В и С, азимут, взятый из точки В на точку С, — это угол, образованный кривыми наименьшей длины, соединяющими точки А и В и А и С. Этими кривыми наименьшей длины, как известно, будут дуги больших кругов сферы. Иными словами, азимут — это угол, на который наблюдатель, находящийся в точке А и смотрящий в точку В, должен повернуться, чтобы увидеть точку С, как показано на рисунке.
Понятие азимута возникло в астрономии и навигации и обозначает угол, или длину дуги математического горизонта, измеренный от точки севера (или точки юга) до вертикальной проекции небесного тела на горизонт наблюдателя. Следовательно, по своей сути азимутальные проекции — это проекции, сохраняющие азимут, взятый из фиксированной точки отсчета, которой является центр карты. Как следствие, эти проекции сохраняют направления до других произвольных точек, но необязательно сохраняют расстояния. Проекции, которые мы хотели назвать «планарными», называются азимутальными потому, что получаются путем прямой проекции на касательную плоскость земного шара (также можно рассмотреть вариант с секущей плоскостью).
Все азимутальные проекции, центры которых совпадают с Северным или Южным полюсом, обладают следующими свойствами.
1. Меридианы изображаются равномерно распределенными прямыми (если рассматривается сетка меридианов, отстоящих друг от друга на равные углы), проходящими через центр карты.
2. Параллели изображаются концентрическими окружностями с центром в точке касания. Следовательно, различные азимутальные проекции определяются тем, как распределяются окружности параллелей.
Сравнение расположения параллелей в полярных разновидностях различных азимутальных проекций.
В этой проекции радиальные прямые, исходящие из центра карты, являются отображениями дуг больших кругов, проходящих через точку касания земного шара и плоскости. Однако в общем случае расстояния от этой точки не сохраняются (за исключением азимутальной равнопромежуточной проекции). Остальные геодезические линии, не проходящие через точку касания, как правило, также не сохраняются, за исключением рассматриваемого частного случая.
* * *
КАРТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ НА МЕККУ
Мусульмане должны молиться пять раз в день, обратившись в сторону Каабы — священного куба, расположенного в Мекке и символизирующего дом Бога. Мечети также должны располагаться соответствующим образом. Но как мусульманин или строитель мечети в любой точке мира может узнать, в каком направлении находится Мекка? Можно построить карту в стереографической проекции, в центре которой будет изображена Мекка. Так как эта проекция является азимутальной и конформной, на карте можно будет провести прямую между мечетью и Меккой, затем вычислить угол между этой прямой и меридианом. До начала молитвы мусульманин должен будет встать лицом к северу, а затем повернуться на этот угол. Один из недостатков карты заключается в том, что меридианы изображены кривыми линиями, а это усложняет вычисление угла.
Возможен и другой вариант: можно рассмотреть ретроазимутальные проекции, то есть проекции, сохраняющие направление из любой точки Земли в фиксированную точку (но не наоборот, как в случае с азимутальными проекциями). В ретроазимутальной проекции, предложенной британским картографом Джеймсом Крейгом в 1910 году, меридианы изображаются параллельными равномерно распределенными прямыми. Карта в этой проекции, в центре которой будет изображена Мекка, прекрасно подойдет для определения киблы — направления на Мекку.
* * *
Искажения, вызываемые этим классом проекций (искажения геодезических линий, площадей, углов и форм), вблизи точки касания (или вблизи круга, образованного сечением сферы плоскостью) малы и увеличиваются по мере удаления от нее. При этом изображение близко к виду Земли из космоса. Классические геометрические проекции этого класса — ортографическая, гномоническая и стереографическая проекции. Другими, более сложными, являются азимутальная равнопромежуточная и равновеликая азимутальная проекция Ламберта. Такие карты используются в океанографии, на кораблях дальнего плавания, в туризме и в военном деле, так как в их центре изображается конкретное место, а геодезические линии, проходящие через него, сохраняются. Искажения на этих картах слишком велики, чтобы их можно было использовать в качестве обычных географических карт.
Учитывая вышесказанное, чтобы изобразить сетку меридианов и параллелей на карте, выполненной в полярной азимутальной проекции, нужно определить центр проекции (Северный или Южный полюс), провести ряд равномерно распределенных прямых, проходящих через центр карты, которые будут соответствовать меридианам, а затем изобразить ряд концентрических окружностей, которые будут обозначать параллели. Следовательно, необходимо определить, на каком расстоянии друг от друга должны располагаться эти окружности. Мы можем вычислить это расстояние, например, для гномонической проекции.
Выберем в качестве точки отсчета Южный полюс. Для данной точки А широтой φ и ее отображения А' определены два подобных прямоугольных треугольника, как показано на рисунке выше. Длины катетов малого треугольника таковы (напоминаем, что здесь φ принимает отрицательные значения):
Длины катетов большого треугольника равны R и r(φ) — расстояние от точки А' до центра. По теореме Фалеса имеем:
откуда
Следовательно, теперь мы можем изобразить сетку меридианов и параллелей центральной проекции.
Использование карт, выполненных в гномонической проекции
Как мы уже отмечали, центральная проекция не подходит для составления карт мира, но часто используется при составлении карт полярных регионов. Чтобы изобразить на такой карте весь мир, потребовалась бы двойная круговая карта, на каждой половине которой было бы представлено по одному полушарию. Однако изобразить на каждой половине карты полушарие целиком невозможно. Более того, по мере удаления от центра карты и увеличения охватываемой территории искажения расстояний, площадей и форм растут — это заметно на любой карте, выполненной в гномонической проекции. Однако для углового расстояния менее 30°, считая от точки касания, карта в этой проекции будет достаточно точной.
Несмотря на вышесказанное, гномоническая проекция неоднократно использовалась при составлении карт больших участков земной поверхности. Например, в 1844 году Обществом распространения полезных знаний Великобритании (SDUK) был опубликован атлас карт в двух томах. Планировалось, что этот недорогой атлас будет использоваться в образовательных целях. В издании гномоническая проекция применялась при составлении карт звездного неба и в шести картах, охватывающих весь земной шар (Африка и Средиземноморье, Америка, Азия и часть Австралии, Океания и полюса). Эти шесть карт соответствовали шести граням куба, в который был вписан земной шар. Далее были построены проекции земного шара на грани этого куба с центром проекций в центр сферы. Другой пример атласа мира из шести карт, составленных аналогичным образом, был издан в Веймаре в 1803 году картографом Христианом Готтлибом Рейхардом (1758–1837). Сам математик Огастес де Морган в 1836 году опубликовал книгу с длинным и не требующим дополнительных пояснений названием «Объяснение гномонической проекции сферы и тех аспектов астрономии, что наиболее необходимы при использовании астрономических карт, и описание построения и использования больших и малых карт звездного неба, равно как и шести карт Земли».
Можно составить карту мира, спроецировав сферическую модель Земли на описанный вокруг нее куб с помощью гномонической проекции, а затем развернув этот куб на плоскости.
Как бы то ни было, важнейшее свойство гномонической проекции, которое делает ее незаменимой в навигации, заключается в сохранении геодезических линий, то есть ортодромы сферы на плоскости карты изображаются прямыми линиями. Если, например, капитану корабля или пилоту самолета потребуется определить кратчайший путь между двумя точками нашей планеты, ему достаточно будет взять карту, выполненную в гномонической проекции, и провести прямую, соединяющую выбранные точки. Морские карты в гномонической проекции можно увидеть в любом магазине и на любом интернет-сайте, посвященном навигационным картам.
Гидрографическая служба США использовала гномоническую проекцию при создании подобных карт всех океанов. Ее примеру при составлении карт следуют гидрографические службы многих других стран, а в учебниках по навигации объясняются методы прокладки курса «вдоль больших кругов» и алгоритмы расчета расстояний по навигационным картам в гномонической проекции.
Карты для морской и воздушной навигации должны обладать двумя основными свойствами: во-первых, ортодромы должны быть представлены в виде прямых линий, во-вторых, на карте должны сохраняться углы и румбы. Именно поэтому задача о создании идеальной карты, сохраняющей все метрические свойства, так важна для навигации. Как вы увидите в следующей главе, в отсутствие точной карты Земли моряки одновременно используют карту в гномонической проекции и карту в проекции Меркатора — она является конформной, а кривые, пересекающие все меридианы под постоянным углом (локсодромы), изображаются на ней прямыми линиями. Благодаря тому что большие круги сферы изображаются в виде прямых, центральная проекция применяется в минералогии и сейсмологии, так как сейсмические волны распространяются вдоль больших кругов, подобно радиоволнам. Карты, выполненные в центральной проекции, также используют радисты кораблей, а подобные карты звездного неба применяются при наблюдении метеоритов, которые также движутся вдоль больших кругов.
Хотя гномоническая проекция — одна из самых древних, в эпоху Возрождения она использовалась редко и вновь стала популярной в начале XVII века, особенно при составлении карт звездного неба. Немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) при составлении карты звездного неба в 1606 году применил экваториальную разновидность этой проекции; австрийский астроном Кристоф Гринбергер (1561–1636) использовал различные варианты этой проекции в своем атласе созвездий 1616 года, а итальянский математик и астроном Орацио Грасси (1583–1654) — в картах звездного неба в 1618 году. С этого времени гномоническая проекция стала одной из самых популярных при составлении карт звездного неба: звезды, которые располагались на большом круге небесной сферы, а визуально находились на одной прямой, в этой проекции изображались на одной линии. Определять местоположение звезд и изучать звездное небо по таким картам было проще.
Центральная проекция чаще остальных использовалась при изготовлении многогранных карт и их разновидностей. Для этого земной шар (сферическая модель Земли) вписывается в многогранник, а затем проецируется на поверхности его граней. В случае с простой гномонической проекцией центр проекции совпадает с центром сферы. Таким образом получается изображение Земли на плоских гранях многогранника. Далее можно либо рассмотреть карту в форме многогранника, либо развернуть ее на плоскости. В многогранных картах чаще всего используются Платоновы тела (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр), гранями которых являются равные между собой правильные многоугольники, однако могут применяться и такие фигуры, как усеченный октаэдр, кубооктаэдр и другие. Искажения на таких картах возрастают по мере приближения к вершинам и ребрам и уменьшаются вблизи центров граней — точек касания сферы и многогранника. В качестве примеров многогранных карт, выполненных в гномонической проекции, можно привести шесть граней карты Рейхарда или карты Общества распространения полезных знаний Великобритании, карту Кэхилла в форме бабочки (1909), которая представляет собой развернутый на плоскости октаэдр, или карту Димаксион, созданную американским дизайнером и архитектором Ричардом Бакминстером Фуллером. Проекция Фуллера представляет собой разновидность проекции на икосаэдр, и о ней мы поговорим в главе 9.
Восьмигранная карта Кэхилла в форме бабочки, выполненная путем гномонической проекции сферической модели Земли на грани октаэдра. Если сложить октаэдр заново, получится восьмигранная модель Земли.
* * *
КАРТЫ ЗВЕЗДНОГО НЕБА, ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
Помимо карт земной поверхности, существуют и другие карты, игравшие важную роль на протяжении всей истории человечества. Речь идет о картах звездного неба, начиная от составленных в Древнем Китае, Индии, Месопотамии и Египте и до европейских. В XVII и XVIII веке в Европе издавалось множество атласов звездного неба. Созвездия при этом изображались в виде героев греческой мифологии, реальных и фантастических животных и различных предметов. В ту эпоху небо имело большое значение в европейской культуре, причем не только в навигации, но и в астрологии, которой зарабатывали себе на жизнь многие астрономы.
Первым полным атласом небесного свода, изданным еще до изобретения телескопа и задавшим направление развития карт звездного неба и астрономии в целом, стала «Уранометрия» (1603) баварского адвоката и издателя Иоганна Байера (1572–1625) , созданная на основе каталога звезд датского астронома Тихо Браге (1546–1601) .
Первый телескоп сконструировал итальянский математик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) в 1609 году. Двумя шедеврами этой эпохи небесной картографии стали «Гармония макрокосмоса» ( Harmonia Macrocosmica , 1660) немецкого математика и картографа Андреаса Целлариуса (ок. 1596–1665) — самый знаменитый атлас XVII века и, по мнению некоторых специалистов, красивейший сборник карт звездного неба всех времен, и «Небесный атлас» ( Atlas Coelestis , 1729) английского астронома Джона Флемстида (1646–1719) — первого королевского астронома и директора Гринвичской обсерватории.
Иллюстрация из «Гармонии макрокосмоса» Андреаса Целлариуса 1708 года.