CN1508764A

CN1508764A - 可转动的南、北半球同视点地图投影地图

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Publication number: CN1508764A
Application number: CNA021496722A
Authority: CN
Inventors: 严岗铭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-06-30
Anticipated expiration: 2022-12-16
Also published as: AU2003289629A1; CN1261916C; WO2004055755A1

Abstract

一种可转动的南、北半球同视点地图投影地图，该地图设有底座、底座上装有联动转盘组件，转盘组件上设有南、北半球地图投影地图，该地图投影地图按如下投影方式获得：沿赤道平面将球体分为南、北半球，南、北半球的经纬线网形状同为正轴方位投影，在地北极到天北极之间轴线上设有拟定视点，使得北半球的地图投影地图透过投影平面而得，而南半球的地图投影地图则由投影平面反射而得。本发明强调各区域的均衡表达性，突出星球自转特征，具有方便易读、清晰直观、形象实时，强化全球一体化等特点。

Description

可转动的南、北半球同视点地图投影地图

技术领域

本发明涉及世界地图，特别是涉及一种可广泛应用于气象学、海洋学、地理学、地质学以及航海、航空、航天、星际开发、宇宙探索等学科研究、开发的可转动的南、北半球同视点地图投影地图。

背景技术

地球仪是我们观察地球，认识地球，研究地球的十分有效的工具。它是按一定比例缩少的几何体，因而球面的坐标物和图形具有不变形性，除了不便携带、收存外，尚有不足是人们不能同时观察到它的另外一大半。

地图是描述地球表面空间事物的平面载体，通过地图可将地表三维物体概括展绘成二维平面形式，并具有区域性和可量测性，其优点是方便携带，使用直观；在现今人类社会的众多活动中，几乎都离不开使用地图。

目前贴墙、挂置所使用的普通世界地图，其制图原则基于考虑人体站立近距清晰阅读视线范围的生理特征，以及使用阅读的方便性，因而不可能制成较大比例尺地图。较流行使用的普通世界地图均在1∶3000万比例尺以下，而在此图幅上符号、标注密集的区域，相邻80km之间的居民点或符号均不可双双表示，并且此小比例尺图幅其实际量算精度甚差。

在如此小的展示面积内要概括地球大千世界是十分困难的，因而目前使用的小比例尺世界地图当中不得不将地图符号省略，地图要素简化，地图综合收紧，导致使用价值下降。事实上人们权且将其多作洲际图、海陆分布图使用。

“地图投影”是一种用数学法则把球面坐标物转绘到平面的方法。由于地图投影的几何变形特性，因而派生出多种地图投影系统(经纬线网)，根据不同的使用目的，目前各国出版、使用的普通世界地图均有多种版本。

在流行使用的世界地图中，就经纬线网形状分类，较多是采用母线相切经线而展开，使投影可展面多种多样，其中有A.矩形，B.椭圆形，C.东、西半球形，D.分瓣形，E.星形，F.蝶形等等。而不论采用何种图形，在阅读使用上均分别有以下不足：

1、图廓内不表示两极；(投影面A)

2、两极地区断裂、变形很大；(投影面A、B、C)

3、南半球多瓣分裂，南极洲无形可言，分化全球整体性；(投影面E、

F)

4、南、北半球多瓣分裂，重中轻侧；(投影面D)

5、分离南纬与北纬的对称性；(投影面D、E、F)

5、离中央经线90°以外另半球区域变形失真加剧；(投影面A、B、E、

F)

6、相邻经线或纬线间隔为非等差曲线(除墨卡托投影、高尔投影外)；(投影面A、B、C、D、E、F)；

7、图形网格上难以反映水平纬圆变化、地表点线速、日照程度；(投影面A、D)；

8、大比例尺图幅阅读不便(图幅上部远离视平线)；(投影面A、B、C、D、E、F)

9、未能直观反映“星球”自转特性与时域间关系；(投影面A、B、C、D、E、F)

10、星下点轨迹为抛物线，非专业人员难以领会；(投影面A、B、D、E、

F)

11、由于中心区域变形小以及各国出版、绘制的自我主观，强化居中为主，所以世界多国目前尚未有划一的世界地图图形版本。(投影面A、B、D、E、F)

在传统的半球分幅地图投影地图中，其剖切展开的技术效果视同另半球绕赤道上的轴支点而转动180°，使球冠顶端与投影平面相切后投影而得，即东、西半球剖切的支点轴向线与赤道垂直并相切(见图1)；南、北半球剖切的支点轴向线平行赤道平面并与赤道相切(见图2)。很明显，这两种均属“机械翻冠型半球分幅再拼版式”世界地图，但此类半球剖切分幅式与其它地图投影系统相比较其边缘失真度少于二分之一。

在东、西半球剖切的横轴方位地图投影地图上，由于各半球自设中央经线，使得边缘区域和两极区的变形较矩形小，但由于转轴线与视平线相垂90°，所以使用起来与矩形图、椭圆图等效果大同小异(见图1)。

在南、北半球剖切的正轴方位地图投影地图上，由于各半球东、西经线度数值相反向，所以使用起来南、北半球的连贯性甚差，且上部图形的区域反向倒置，易于造成视感错觉，故以往多作为以南北两极为中心的区域地图使用(见图2)。

在根据卫星图像制成的月球(或其它星球)仪或其地图投影地图中，由于对应天体是缺液态水的岩石体星球，又因没有居民点、城市、河流、湖海的岸线、运输线、疆界、政区等基本地图符号，所以其地图绘制是缺乏“水准原点”的平面视像图，尽管采用光线晕渲法，但其地势起伏，高程变化的立体效果微弱，由于地图符号信息单一，乃至非专业人员易产生明显错觉而将环形山洼地看作高地。简言之，这种地图是没有“海平面”的透视投影图，可见其欣赏大于使用价值。

发明内容

本发明旨在解决传统地图投影地图所存在的种种弊端，而提供一种强调各区域的均衡表达性，突出星球自转特征，使得使用者更为方便易读、清晰直观、形象实时，强化全球一体化的可转动的南、北半球同视点地图投影地图。

为达到上述的目的，本发明提供一种可转动的南、北半球同视点地图投影地图，该地图设有底座，底座上装有联动转盘组件，转盘组件上设有南、北半球地图投影地图，该地图投影地图按如下投影方式获得：沿赤道平面将球体分为南、北半球，南、北半球的经纬线网形状同为正轴方位投影，在地北极到天北极之间轴线上设有拟定视点，使得北半球的地图投影地图透过投影平面而得，而南半球的地图投影地图则由投影平面反射而得。此设计符合人们的视觉机理，使南、北半球地图投影地图的印象均从一点发出，改观了由于传统南、北半球剖切分开而两视点观察所带来的反向对立以及不对称性。联动转盘组件可联动左、右转盘同向、同步转动，达到“自转”目的，因此使平面世界地图带时域性、动态性，结果令南、北半球地图投影地图动作与星球旋转体的映像视觉和谐一致。

转动组件包括边缘带盘齿的主动转盘及位于其两侧，分别与之相啮合的左转盘及右转盘，它们均通过轴承装在底座上。

主动转盘可通过手动或电动方式旋转，手动方式时，主动转盘可通过装在其上的手轮随意手动旋转，主动转盘与左转盘、右转盘之间的联动转速比为2∶1；电动方式时，主动转盘可由电动转盘带动，并可作快速正向、反向的脱时控转动及回复原位；电动转盘、主动转盘及从动转盘之间的联动转速比为1∶1∶1。

电动转盘由时钟控制的步进电机带动，该时钟为计时装置，其每天零时零分起始时刻设于装在电动转盘表面的钟盘针轴的下中垂线上，并对应于国际日期变更线的下中垂线；钟盘上的时针反时针与投影地图同向、同步运行，且分针与时针同向转动。

南、北半球地图投影地图的联动正时为格林尼治本初子午线在上方正中天，国际日期变更线在下方，且其180°东、西经线与中垂线重合。

在穿过南、北半球地图投影地图圆心的晨昏线下方的底座空挡处设有若干用于完整表示跨赤道政区版图的区域状况补充附图。

南、北半球地图投影地图的经纬线网为三维空间网，在套用非自然地图时，可默认网格面与水准原点间海拔为零；在套用自然地图时，在图例中或在图边框上注记其与水准原点相对的正负绝对值；其相应的经纬线网可同时表示不同高程空间要素叠加，且均可错位分划、错度分划或加密分划。

南、北半球地图投影地图的正轴方位投影的经纬线网可展面均可对应于正射投影、外心投影、球面投影、球心投影、等积方位投影、等距方位投影、等角方位投影中的一种，或套用不同地图内容的同半球地图投影地图。

在半球地图靠赤道低纬区内分布有表示坐标点方向的方向标符号，且方向标南北方向线与坐标点经线重合；在地图框标示有等分经度的对应世界时区符号。

南、北半球地图投影地图均可用电子屏幕系统或光学投影系统表达。

本发明的贡献在于，它提供了一种介于传统地图和地球仪之间的突现动态、均衡、直观、形象的新型的世界地图，使传统的世界地图投影系统的通弊得以改观，更显示了以往地图难以或不能表达的要素，并体现出地球仪的某些特质，本发明的特点具有如下表现：

一、由于拟定视点均在天北极轴线上，即“一视点效应”，使传统的南、北半球正轴方位投影分幅再拼版的分体性、反向对立性得以消除，而其正轴方位投影的优点、特征得以在世界地图中释放、发挥，使全球整体性、对称性、连贯性、观感性、领会性获得强化。

二、由于设置了可联动的主动转盘和从动图盘，使南、北半球地图同向、同步对应“自转”成为可能，这种创新结构使各区域表达均衡，消除了传统的“以我为中心”的制图理念，并且具有如下特点：

1、阅读方便，转动图盘使目击区域下调视平线范围内；

2、半球分幅中，不论南、北半球其坐标点东面走向标线一致；

3、对称、同向、同步、动态表述不同纬线圆地表点之线速、日照程度；

4、时差直观，图盘直接诠释世界时区定义、划分；

5、当在自动转盘置入时控电机组件和套配时针后，即成为“地图型太阳日计时演示仪”。

6、星下点轨非抛物线，且星地错动，直接领会，对空间科研、航天活动实用重要；

7、以椭圆形地图比较，在同等清晰阅读视线范围内，主比例尺之间增大π倍，可展面可增大4.9倍，地图概括信息详细，使用价值高。

三、由于在上述两特点的基础上加设了经纬线网面正负高程值辅助要素，使得对应与“水准原点”不同的海拔值，其经纬线网可展面上的空间诸要素垂直对应地表坐标点，更可叠加正负高程经纬线网面，因而：

1、鉴于太阳辐射以及地球自转偏向力两因素是气候形成主因，当运用

在自然地图上时可：

a、表达相应海拔高处实时云图、气压图、季风图、降水图、叠加图等。

b、表达相应海拔深处的实时暖流、寒流图、叠加洋流图等。

c、表达相应海拔深处的大陆架地貌图、海底地质图、陆地底地质图等；

2、叠加人造航天器绕星运行轨迹；

3、为缺乏液态水的岩石体星球的投影地图建立‘水准原点’。

四、由于本设计的半球地图投影地图是套装在图盘上，所以可根据不同的使用目的和对象，即时更换由不同变形性质而展绘的南、北半球正轴方位地图投影地图图形，此多用途特别适合教学演示，以及应用到屏幕显示上。

五、由于本设计的半球地图投影地图是套装在图盘上，所以可根据特殊的使用目的和要求，套装两具有不同地图内容的同半球正轴方位投影地图，起一图两用的作用。

六、作悬挂使用时，其装饰性、欣赏性、实用性甚强，佐证了“地图学是科学与艺术的集合”的观点。

附图说明

图1是传统的东、西半球剖切的横轴方位地图投影地图示意图。

图2是传统的南、北半球剖切的正轴方位地图投影地图示意图。

图3是本发明南、北半球同视点地图投影地图的投影系统示意图。

图4是投影地图比较示意图。

图5是本发明的南、北半球同视点地图投影地图示意图。

图6是本发明的手动方式转盘组件与底座结构示意图。

图7是本发明的外观示意图。

图8是本发明的电动方式转盘组件与底座结构示意图。

图9是本发明另一外观示意图。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。

图3是本发明之南、北半球同视点地图投影系统成影图，本系统由地图投影模式加地图观察模式集合而获正轴方位地图投影地图。

地图投影模式如图3所示，经纬线网的投影面(3A中的N是北半球投影面，3B中的S是南半球投影面)切于地表面极点51、61，在垂直于投影面的直径延长线上，投影用光源54置于从球心55到无穷远线上，由于光源位置不同，所成影的经纬线网形状不尽相同，也就是变形性质不一样。如光源54位于球心则为球心投影，位于球面的为球面投影，位于球外的为外心投影，位于无穷远的为正射投影。

地图观察模式也如图3所示，对N投影面、S投影面的观察，拟定视点53均同时位于天北极轴52段上，其结果产生的地图形象特征有别，使得北半球地图投影地图透过投影平面N而得，南半球地图投影地图由投影平面S反射而得。很显然，由于投影平面S反射结果其南半球地图投影地图展绘正好与图2中传统的南半球地图投影地图展绘反转180°，而北半球的图形展绘保持不变。

在图4中，当设图4A中的地球仪模型的大圆半径R_1球为1时，赤道长C₁＝2πR_1球，即C₁＝2π；图4B中图形是以赤道为主比例尺且与4A的地球仪赤道2π长相同比例尺的按罗宾逊投影制作的椭圆形“世界地图”，很明显双方地图的概括详细程度相当一致。其罗宾逊投影可展面面积由4A中球体表面公式S_1球＝4πR₁ ²而得出(参照图4上的标尺)。

又在图4中，4C是本发明之南、北半球同视点地图投影地图，其中的半球地图投影地图图幅半径r₃与4B中罗宾逊投影图高相等，即图中的间距E，也即是人体站立近距清晰阅读视线范围的有效上下边距。可见，由于本发明的南、北半球地图投影地图图幅绕地心轴同向、同步旋转设计，使得远离有效清晰阅读区的上部另一半图形可随意转调到下方有效视线范围中。

明显地，与图4B常见的剖经线世界地图相比较，当在相同的有效视线范围(宽2π×高E)内，本发明4C的图形几何性质具有下列特征：

(1)、当以赤道线为主比例尺时，主比例尺增大π倍；

在图4A中有公式C₁＝2πR₁

∵4A中C₁＝4B中C₂ 又∵C₁＝2π·R₁＝2π·1

∴C₂＝2π

在图4C中有公式C₃＝2πr₃

∵r₃＝π

∴C₃＝2π·r₃＝2π·(π)＝2π·π

因此当C₂∶C₃时，有2π∶2π·π，也即是1∶π。

(2)、当以可展面面积比较时，面积增大π²/2倍；

在图4A中有公式S_1球＝4πr²

∵4A中S_1球＝S_2椭又∵ S_1球＝4πR₁ ²

＝4π

∴ S_2椭＝4π

在图4C中有公式S_3圆＝πr₃ ²

∵ r₃＝π

∴S_3双圆＝2×πr₃ ²

＝2×π(π)²＝2π³

因此当S_2椭∶S_3双圆时，有4π∶2π³，也即是1∶π²/2。

(3)、本南、北半球地图投影地图的可展面地图概括，等同半径R₄为图4A中R _1球×2.22倍的地球仪(图4D)地表概括。

在图4C中有公式S_3圆＝πr₃ ²

令：S_4球＝S_3双圆

∵S_3圆＝πr₃ ²中，有r₃＝π

∴S_4球＝2×S_3圆

即4πR₄ ²＝2×πr₃ ²＝2×π(π)²

R₄ ²＝2×π³×1/4π＝π²/2

R₄＝√π²/2≈2.22

因此，与罗宾逊投影在同等视E条件下，本发明表达的地图概括为球半径同比2.22倍。可见，图4C的地图概括与比例尺为图4D的地球仪概括详细程度一致。

图5示出了本发明的南、北半球同视点地图投影地图，图中，40是北半球地图投影地图，30是南半球地图投影地图，61为北极点，也是左转盘的安装位，51是南极点，也是右转盘的安装位，34、44为正轴方位地图投影地图的经纬线网。在北半球地图中，虚线45表示其坐标点上的地图符号高程在网格面海拔之上，实线46表示其坐标点上的地图符号高程在网格面海拔之下或相等。在南半球地图中，虚线表示其坐标点上的地图符号高程在网格面海拔之下，实线35表示其坐标点上的地图符号高程在网格面海拔之上或相等，(需要特别说明的是，由于图5是小比例尺地图，所以南半球地图中的虚线表示未能划出，如盆地符号覆盖的经纬线)。图中36、47为方向标符号，其南北方向线始终与坐标点经线重合，在北半球地图中，指向圆心为北极，反向为南极；在南半球地图中，指向则相反。32、42为格林尼治本初子午线，31、41是国际日期变更线，37、48是等份经度的世界时区区间。

图6示出了本发明的优选实施例转盘组件与底座结构，本例的转盘为手动转盘，如图示，转盘组件20包括左转盘22、主动转盘21、右转盘23，它们分别呈左、中、右装在与安装底座10平面平行的同一平面上，各转盘边缘设有联动盘齿，它们分别对应套装在各自转盘轴承221、211、231的轴承槽环上，而各轴承则分别装在其中心轴222、212、232上，各中心轴装在底座上，其两端用螺母固定。在底座10的四个角处设有多个用于悬挂的安装孔11。

图7是本发明的外观视图，如图示，南、北半球地图投影地图30、40分别经中心轴222、232套装在左转盘22、右转盘2 3的盘面上，并由螺母锁止。在主动转盘21盘面上设有带指示箭头并向外凸出的手轮213，使用时转动手轮便可方便地将上部半球地图转调到下方清晰阅读区内。

再如图7所示，由于主、从(即主动转盘与左、右转盘)转速比为2∶1，手轮213上的指示箭头2131均能起到时针作用，能表示使用地区本地时或格林尼治标准时(对应顺时针一太阳日转两圆周)。但安装时要求指示箭头垂直向上，且相应指示的地域时区中线垂直向下，同时左右图同经线指向一致。

图8是本发明的另一转盘组件与底座结构，本例的转盘为电动转盘，其基本结构与图6的手动结构基本相同，区别在于，主动转盘21不是由手轮带动，而是设置了由时钟25控制的步进电机，由该电机带动电动转盘24转动，并由电动转盘带动主动转盘21按时转动。在此实施例中电动转盘24、主动转盘21、从动转盘22、23之间的转速比对应为1∶1∶1。

图8中，时钟25为计时装置，它均可配置机械式或电控式，当采用后方式时，均可作快速正向、反向的脱时控转动以及回复原位动作。

图9是图8实施例外观视图，与图7比较可知，取消了带指示箭头的手轮，在两地图投影地图上方设置时钟盘251、分针252及时针253，时针253的指向和角度代表左、右图廓上相对应的同一时区本地时刻。

在图9中，需特别说明的是，时钟盘251上其小时刻值对应为一太阳日旋转一圆周且平均等份，并且每天零时零分起始时刻设在钟盘251的中垂线上，对应地图30、40上国际日期变更线31、41垂直向下，分针252和时针253遵循地球自转方向按反时针运行。

在图7和图9中，在穿过左、右半球地图30、40的圆心晨昏线33、43下方，即底座空挡12、13、14处均设有若干补充附图，用于完整表示跨赤道政区版图的状况，使其区域的地图概括方便阅读。

综上所述，本发明的可转动南、北半球同视点地图投影地图特别适用于建立在可视化“地理信息系统”(GIS)应用上的，具有时效性，全球性，并以水准原点为零，负至地壳下、正至外大气层之间的，垂直于‘水准原点’坐标的、有形的、无形的空间诸要素的地图概括，并对全球性的气象学、海洋学、地理学、地质学以及航海、航空、航天、星际开发、宇宙探索等学科研究、开发活动提供一种理想实用的三维信息地图。

Claims

1、一种可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，该地图设有底座(10)，底座上装有联动转盘组件(20)，转盘组件上设有南、北半球地图投影地图(30)、(40)，该地图投影地图按如下投影方式获得：沿赤道平面将球体分为南、北半球(50)、(60)，南、北半球的经纬线网(34)、(44)形状同为正轴方位投影，在地北极(51)到天北极之间轴线(52)上设有拟定视点(53)，使得北半球的地图投影地图(40)透过投影平面而得，而南半球的地图投影地图(30)则由投影平面反射而得。

2、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述的转动组件(20)包括边缘带盘齿的主动转盘(21)及位于其两侧，分别与之相啮合的左转盘(22)及右转盘(23)，它们均通过轴承装在底座(10)上。

3、根据权利要求2所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，主动转盘(21)可通过手动或电动方式旋转；其中手动方式时，主动转盘(21)可通过装在其上的手轮(213)随意手动旋转，主动转盘(21)与左转盘(22)、右转盘(23)之间的联动转速比为2∶1；在电动方式时，主动转盘可由电动转盘(24)带动，并可作快速正向、反向的脱时控转动及回复原位；电动转盘、主动转盘及从动转盘之间的联动转速比为1∶1∶1。

4、根据权利要求3所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述电动转盘(24)由时钟(25)控制的步进电机带动，该时钟为计时装置，其每天零时零分起始时刻设于装在电动转盘表面的钟盘(251)针轴的下中垂线上，并对应于国际日期变更线(31)、(41)的下中垂线；钟盘上的时针(253)反时针与地图投影地图(30)、(40)同向、同步运行，且分针(252)与时针(253)同向转动。

5、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述南、北半球地图投影地图(30)、(40)的联动正时为格林尼治本初子午线(32)、(42)在上方正中天，国际日期变更线(31)、(41)在下方，且其180°东、西经线与中垂线重合。

6、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，在穿过南、北半球地图投影地图(30)、(40)圆心的晨昏线(33)、(43)下方的底座空挡(12)、(13)、(14)处设有若干用于完整表示跨赤道政区版图的区域状况补充附图。

7、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述南、北半球地图投影地图(30)、(40)的经纬线网(34)、(44)为三维空间网，在套用非自然地图时，可默认网格面与水准原点间海拔为零；在套用自然地图时，在图例中或在图边框上注记其与水准原点相对的正负绝对值；其相应的经纬线网可同时表示不同高程空间要素叠加，且均可错位分划、错度分划或加密分划。

8、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述南、北半球地图投影地图(30)、(40)的正轴方位投影的经纬线网可展面均可对应于正射投影、外心投影、球面投影、球心投影、等积方位投影、等距方位投影、等角方位投影中的一种，或套用不同地图内容的同半球地图投影地图。

9、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，在半球地图靠赤道低纬区内分布有表示坐标点方向的方向标符号(36)、(47)，且方向标南北方向线与坐标点经线重合；在地图框标示有等分经度的对应世界时区符号(37)、(48)。

10、根据权利要求1所述的可转动的南、北半球同视点地图投影地图，其特征在于，所述的南、北半球地图投影地图(30)、(40)均可用电子屏幕系统或光学投影系统表达。