Що ж являє собою топографічна карта і чим вона відрізняється від інших (географічних) карт?
Перш за все масштабом. Топографічною картою називається точне і докладне зображення місцевості на площині (папері), виконане зі зменшенням ліній місцевості від десяти тисяч до одного мільйона разів. Якщо зменшення ліній місцевості зображується більше, ніж в один мільйон раз, то така карта називається географічної. Отже, основна відмінність між топографічними і географічними картами полягає в тому, що зображення місцевості на топографічних картах завжди буде більш детальним, ніж на географічних картах. На топографічній карті можна показати з достатньою докладністю все елементи місцевості - населені пункти, дороги, ріки, болота, ліси і нерівності (рельєф) земної поверхні, чого не можна досягти на географічній карті, з огляду на значній мірі зменшення розмірів місцевості. Тому топографічні карти як більш докладні призначаються для вивчення місцевості та орієнтування на ній, для виробництва вимірювань і розрахунків, необхідних як у військовій справі, так і для цілей народного господарства.
Які ж масштаби існують для топографічних карт?
Масштабом карти називається відношення, що показує, у скільки разів зменшено довжина ліній на карті в порівнянні з її дійсною величиною на місцевості. Так, наприклад, якщо 1 см на карті відповідає 10 км на місцевості, то масштаб карти буде дорівнює 1. 100000. Цей масштаб називають чисельним. Величина ця абстрактна і не залежить від системи лінійних заходів. При порівнянні декількох масштабів більшим буде той, у якого знаменник менше, і, навпаки, чим більше знаменник, тим масштаб дрібніше. Від масштабу карти залежить точність вимірювань, подробиця карти і розмір картографічного зображення однієї і тієї ж місцевості. Очевидно, що зі зменшенням масштабу зменшується і кількість наносяться на неї деталей місцевості. Залежно від масштабу топографічні карти прийнято розділяти на великомасштабні (1: 10 000, 1: 25 000, 1: 50 000), середньомасштабні (1. 100 000, 1: 200 000) і дрібномасштабні (1: 500 000, 1: 1 000 000).
Практично відстані по карті визначають за допомогою лінійного масштабу. Він зображається на карті у вигляді прямої лінії з розподілами для відліку відстаней. На картах масштаб (чисельний, лінійний і текстової) завжди знаходиться під південною рамкою в такому вигляді, як це зображено на малюнку 41. Відстань в метрах або кілометрах на місцевості, відповідне одному сантиметру на карті, називається величиною масштабу і завжди підписується між чисельним і лінійним масштабами.
Але топографічна карта не завжди може задовольнити вимогам, які можуть виникнути в практичній діяльності, особливо коли необхідно дуже детально вивчити окремий невелику ділянку місцевості. У цих випадках на окремі ділянки місцевості населеного пункту створюються ще більш докладні креслення місцевості, які називаються планами. Вони відрізняються від топографічної карти тим, що кривизна земної поверхні на них не приймається в розрахунок. Справа в тому, що і на топографічній карті невеликі ділянки місцевості в межах яких крутизна земної поверхні незначна, теж практично не відрізняються від плоского зображення. А це означає, що на топографічних картах так само, як і на планах, всі виміри можна проводити так, як ніби вони ніякої різниці не мають.
Плани видаються нестандартними аркушами, місцеві предмети на них зображуються особливими умовними знаками. А рельєф незображується взагалі. По суті, плани є різновидом топографічних карт. Найчастіше плани створюють для вивчення населених пунктів, ділянок лісу, аеродромних майданчиків, будівельних ділянок зі зменшенням всіх ліній місцевості в 5 10 тисяч раз.
Як же отримати зображення кулястої земної поверхні без спотворень на площині? Яка картографічна проекція використовується для цього?
Всім відомо, що наша планета схожа на кулю. Саме вірне уявлення про взаємне розташування континентів і океанів, лісів і гір дає нам глобус. Їм добре користуватися, але не завжди зручно. Найчастіше виникає потреба мати плоске зображення потрібного нам ділянки Землі на папері. Якби Земля мала форму циліндра або конуса, то зробити розгортку її поверхні на площині не становило б труднощів. Але ні куля, ні еліпсоїд можна розгорнути на площині без складок і розривів. Тому для зображення земної поверхні завжди вдаються до умовних побудов, які отримали назву картографічних проекцій. Завдання їх полягає в тому, щоб на папері побудувати сітки меридіанів і паралелей, тобто основи, каркаса будь-якої карти.
Уявіть собі, що мережа паралелей і меридіанів з поверхні скляної кулі, образно представляє в мініатюрі земну кулю (рис. 19, а, б) проектується на бічну поверхню циліндра (а) або конуса (б), зробленого з паперу. Потім ці поверхні розрізаються по котра утворює і розгортаються. У першому випадку проекція називається циліндричної, і на ній паралелі і меридіани зображуються у вигляді взаємно перпендикулярних прямих. У другому випадку проекція називається конічною. У ній паралелі зображуються концентричними колами, а меридіани - радіальними прямими, що розходяться з центру кіл. Якщо ж на скляну кулю крім сітки паралелей і меридіанів нанести на одній його половині ще й обриси материків, моря, річки і хребти і висвітлити його лампою на рівні екватора, то на екрані ми отримаємо зображення земної поверхні. В цьому випадку проекція називається екваторіальній (азимутальной), в якій зазвичай і будуються географічні карти в вигляді півкуль (рис. 19, в).
Над створенням картографічних проекцій, зручних для сприйняття, працювали багато найбільших учених різних епох. Сюди можна віднести і великих мислителів давнини Аристотеля і Птолемея, і видатних геніїв епохи Відродження, таких, як Леонардо да Вінчі і Декарта, і талановитих вчених більш пізнього періоду - Ломоносова і Гаусса і багатьох інших. Незважаючи на те що запропоновані тисячі способів зображення Землі на площині, жоден з них не дає точного її відтворення. На одних картах намагаються правильно зображати обриси материків і океанів, але при цьому спотворюються їх розміри. На інших - зберігаються площі, зате спотворюється форма континентів.
В нашій і деяких інших, країнах для топографічних карт застосовується поперечно-циліндрична картографічна проекція, запропонована німецьким математиком Карлом Гауссом (1777-1855).
Сутність цієї картографічної проекції полягає в тому, що поверхня Землі зображується на площині не вся відразу, а окремими смугами (зонами) шириною по 6 ° по довготі від Північного полюса до Південного (рис. 20). Кожна така зона проектується на внутрішню бічну поверхню уявного циліндра, який стосується земної поверхні по середньому меридіану, званому осьовим меридіаном для даної зони. «Повертаючи» Землю навколо осі обертання, шестіградусние зони послідовно проектують одна за одною на бічну поверхню циліндра. Потім бічну поверхню циліндра розгортають на площину, і спроектовані зони зображуються на ній одна поруч з іншою. Між собою вони стикаються тільки в одній точці - на екваторі (рис. 20). Зображення земної поверхні, отримане таким чином, потім ділиться сіткою меридіанів і паралелей на окремі листи топографічних карт.
Яка точність зображення земної поверхні в такий картографічної проекції?
З її опису видно, що осьової меридіан в кожній зоні стикається з поверхнею земної кулі і, отже, зображується в проекції Гаусса без спотворення своєї довжини і зберігає масштаб зменшення на карті однаковий на всьому їх протязі. Решта меридіани (бічні) в кожній зоні зображуються в проекції кривими лініями, тому вони все довше осьового меридіана, тобто спотворені на карті. Все паралелі вище і нижче екватора також зображуються кривими лініями і з деяким спотворенням. Ці спотворення довжин збільшуються в міру віддалення від осьового меридіана на схід і на захід і від екватора на північ і на південь. Найбільше їх спотворення виходить на краях зони, де вони можуть досягати величини порядку 0,1% довжини вимірюваних ліній. Але це практично задовольняє всім вимогам точності при вимірах, що проводяться на місцевості.
Кілька слів про форму і розміри самої Землі. До сих пір Землю умовно вважали кулею, але в дійсності це далеко не так.
Після численних вимірів і розрахунків, які тривають аж до наших днів, топографи прийшли до висновку, що фігура Землі дуже близько підходить до еліпсоїда обертання, тобто правильного геометричного тіла, що утворюється обертанням еліпса навколо його малої осі (рис. 21). Поверхня еліпсоїда - це деяка уявна поверхня океанів і морів, продовжена над усіма материками, тобто поверхня середнього рівня океану, як би покриває всю нашу планету. Тому на картах все височини і відраховуються від рівня моря. Єдиних розмірів земного еліпсоїда для всіх країн до сих пір не прийнято. В СРСР і інших соціалістичних країнах за основу, при створенні топографічних карт і визначенні координат на земній поверхні, прийнятий еліпсоїд Красовського. названий так на честь видатного радянського вченого-геодезиста Ф. М. Красовського (1878-1948), який запропонував наступні розміри земного еліпсоїда: велика піввісь дорівнює - 6 378 245 км, мала піввісь - 6 356 863 км. З цих розмірів видно, що вісь обертання Землі коротше діаметра земного екватора приблизно на 43 км. Тому для практичних завдань, які потребують особливої точності, фігуру Землі приймають за кулю, радіус якого дорівнює приблизно 6371 км.
На нашій земній кулі розрізняють наступні основні точки і лінії (рис. 21, б). Кінці земної осі, навколо якої відбувається добове обертання Землі, називаються географічними полюсами; північний позначається буквою латинського алфавіту - N і південний - S. Площина, перпендикулярна до осі обертання Землі і проходить через її центр, називається площиною земного екватора, а перетин її з земною поверхнею дає окружність, яка називається екватором. Вище площині екватора знаходиться Північна півкуля, нижче - Південне. Лінії перетину земної поверхні площинами, паралельними площині екватора, називаються паралелями, а лінії перетину земної поверхні вертикальними площинами, що проходять через земну вісь, - географічними або істинними меридіанами. Сітка, утворена пересічними меридіанами і паралелями, називається географічної сіткою.
Отже, будь-яка топографічна карта має рамку у вигляді трапеції, верхня і нижня сторони якої є паралелями, а бічні - меридіанами. Такий поділ карт на окремі листи називається разграфкой карт.