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海图基础知识叶志荣 一海图及其特征 1 1海图 chart 的定义地图的一个比较特殊的分支按照一定的数学法则 将地球表面的海洋及其毗邻的陆地部分的空间信息 经过科学的制图综合后 以人类最终可以感知的方式缩小表示在一定的载体上的图形模型 用以满足人们对地理信息的需求 1海图及其特征 美国NOAA海图局部 1海图及其特征 前苏联海军海图局部 1海图及其特征 1 2海图的基本特性 严密的数学法则简洁高效的符号系统科学的制图综合 1海图及其特征 按海图内容分类 海图 普通海图 专题海图 海底地势图 海底地形图 自然现象海图 社会经济现象海图 海洋水文图 航海历史图 海洋重力图 海洋生物图 海上交通图 海洋水产图 1 3海图的分类 1海图及其特征 沿岸 港湾地形图 1海图及其特征 按比例尺分类对于航海图 其按比例尺分类的方法一般为 1 10万以上 港湾图 还可细分为 1 25000以上 港湾水道图 1 10 1 19万 沿岸航行图 1 20 1 99万 近海航行图 1 100 1 299万 远洋航行图 1 300万及以下 海区总图 1海图及其特征 按海图形式分类纸质海图是海图的传统形式 国际标准海图纸的尺寸为1189mmx841mm 即所谓 0 尺寸 其长宽比接近黄金分割规则 特点是每次对折后 长宽比不变 数字海图是以数字形式储存于某种媒体中的海图 从广义讲 机助制图过程中数字化了的海图数据或各种数字式制图资料 用于屏幕显示的海图数据以及直接提供用户使用的各种海洋信息数据 都可称为数字海图 电子海图是在显示器上显示出的海图和其它出版物上所选取的海图信息 也称 屏幕海图 由资料存储系统 微机和显示器三大部分组成 1海图及其特征 1 4海图改正 海图改正海图改正种类大改正小改正 1海图及其特征 大改正一般是在原来航道图基础上 进行改版或再版 在港口 每隔3 5年对整个水域的全部或大部进行测量 根据新测资料在原有航道图基础上绘制新图 这实质上就是对航道图的大改正 改版的改动幅度较大 改正的范围涉及到数学基础 各项内容要素和整饰内容的改动 有的甚至对原版航道图的面积都作适当的变更 再版就是在原版航道图的基础上 根据最新的资料增补或变更一些内容要素 复印出版 海图的大改正 1海图及其特征 1海图及其特征 海图的小改正 当航道图的改正范围不大 内容不多 以及改正后对整个航道图的精度影响不大时 一般只对航道图作小改正 小改正主要是按海事部门所刊行的改正通告 在原版图上进行改正 以保证航道图的现时性和可靠性 小改正的来源 有的是本单位提供 也有的是其它单位提供 但是为了避免混乱 改正时必须以改正通告为准 1海图及其特征 1海图及其特征 二海图数学基础 海图数学基础的内容地图投影比例尺高程基准面深度基准面坐标系统 2海图的数学基础 2 1海图投影的基本知识 一 地球椭球体 2海图的数学基础 二 经 纬圈 线 1 包含地轴的平面与地球椭球体表面相交的截痕 称为椭圆子午圈 以两极为端点的半个子午圈 称为子午线或经线 2 通过球心并与地轴垂直的平面和地球椭球体面相交的截痕 称为赤道 与赤道平行的小圆称为纬圈 2海图的数学基础 1 纬度 定义 是赤道与过位置点的纬圈在经线上所夹的弧长 划分 以赤道为0 向南 向北各计算90 赤道以北的称为北纬 赤道以南的称为南纬 分别用 N S 表示 格式 单位度 分 秒 例 大连的纬度 38 52 30 N 2海图的数学基础 2 经度 定义 是基准经线与过位置点的经线在赤道上所夹的劣弧长 划分 以基准经线为0 向东 向西各计算180 基准经线以东的称为东经 基准经线以西的称为西经 分别用 E W 表示 格式 单位度 分 秒 例 大连的经度 121 40 00 E 2海图的数学基础 地图投影就是建立地球面与投影平面上点的一一对应的函数关系 2 2海图常用投影 2海图的数学基础 墨卡托投影 等角正轴圆柱投影 由制图学家墨卡托所创制 并于 年首先用于编制海图 故称为墨卡托投影 2海图的数学基础 墨卡托投影示意图 2海图的数学基础 基准纬线圆柱面与地球相切或相割的纬线叫做基准纬线 若相切则赤道为基准纬线 若相割则在南北赤道存在两条对称于赤道的纬线圈 基准纬线的规定 同比例尺的成套航行图以制图区域中位为基准纬线 单幅图以本图中纬为基准纬线 基准纬线取至整分或整度 2海图的数学基础 2海图的数学基础 切墨卡托投影 2海图的数学基础 割墨卡托投影 2海图的数学基础 地球面上经纬线网投影在圆柱面上 然后沿着某条母线展开 2海图的数学基础 墨卡托投影的经纬线形状 2海图的数学基础 墨卡托投影的经纬线特点 经线等间隔 纬线自赤道向两级渐长 2海图的数学基础 墨卡托投影的重要特征 等角航线的概念 地球面上所有与经线成等方位角的曲线 叫做等角航线 2海图的数学基础 墨卡托投影的重要特性 等角航线投影成直线 2海图的数学基础 高斯 克吕格投影 高斯 克吕格投影也叫做等角横切椭圆柱投影 设想一个椭圆柱横切于地球椭球某一经线 即中央经线 根据等角条件 用数学分析方法得到经纬线映像的一种等角投影 该投影最初由著名数学家高斯拟定 后经测量学家克吕格对其进行补充和完善 故名高斯 克吕格投影 该投影是我国编制基本比例尺地形图的投影和比例尺大于1 2万的海图投影 2海图的数学基础 高斯 克吕格投影示意图 2海图的数学基础 横轴圆柱投影 高斯 克吕格投影 PN PS e q 2海图的数学基础 分带方法6度带的分带方法自零子午线起 自西向东每隔经差为一投影带 全球共分为60个投影带 每带的带号用自然数1 2 3 4 60编号 3度带的分带方法自东经1度30分起 每3度为一带 全球共分为120个投影带 并使6度带的中央经线全部为3度带的中央经线 每带的带号用自然数1 2 3 4 120编号 2海图的数学基础 高斯投影分带平面示意图 2海图的数学基础 坐标规定坐标纵轴西移500公里由于我国位于北半球 故x恒为正值 但y有正有负 为使用方便 避免y值出现负号 规定将各带的坐标纵轴西移500公里 Y y 500000m 2海图的数学基础 Y坐标前冠以带号由于沿经线分别投影 各带的投影完全相同 这样对于一组 x y 值 能找到60个对应点 为了区别某点所属的投影带 规定在已加500km的Y值前再加上投影带号 2海图的数学基础 日晷投影 日晷投影是视点位于球心的透视方位投影 日晷投影又叫方位投影 2海图的数学基础 日晷投影特性 大圆航线是球面上的大圆弧 是球面上两点之间的最短距离 2海图的数学基础 日晷投影具有大圆投影成直线的重要特性 即地球面上任何大圆弧经日晷投影后 在平面上的表象均为直线 2海图的数学基础 舰船沿着大圆航线走距离最短 故日晷投影常用于制作远洋航行图 2海图的数学基础 2 3海图的基准面 海图的高程基准面和深度基准面 总称为海图基准面 海图上各要素的高度一般从高程基准面向上起算 而深度则是从深度基准面向下起算 2海图的数学基础 2 3 1高程基准面 海图上高程的起算面 叫做海图的高程基准面 海图上的山峰 岛屿 明礁的高程都从高程基准面向上算起 高程基准面是根据验潮站所确定的多年平均海水面确定的 海图上的高程是地面点至平均海面的垂直高度 2海图的数学基础 我国的高程基准面 1956年以前 我国没有统一的高程基准面 而是采用了当地的平均海面 如大连平均海面 大沽平均海面 黄河口零点 平均海面 青岛平均海面 坎门平均海面 吴淞平均海面 珠江基面等 1957年确定 根据青岛验潮站1950 1956年共7年间的验潮资料求得的平均海面作为国家统一的高程基准面 并定名为 1956年黄海平均海面 我国海图设计中确定高程基准面时 是以编绘规范为依据的 规定高程基准面采用 1985年国家高程基准 或 当地平均海面 2海图的数学基础 2 3 2深度基准面 深度基准面又叫海图基准面 是海图上水深的起算面 从深度基准面至水底之间的垂直距离称为 图载水深 水深测量是在随时升降的水面上进行的 因此 在同一点上不同时刻测得的水深值不同 求算深度基准面的原则是既考虑到船舶航行的安全 又要考虑到航道的利用率 2海图的数学基础 深度基准面 世界各国所采用的深度基准面 2海图的数学基础 我国深度基准面的采用情况 我国1956年以前的海图上一般采用略最低潮面 印度大潮低潮面 从1956年开始采用理论深度基准面 也就是理论最低潮面 理论最低潮面是理论上可能出现的最低潮面 2海图的数学基础 2 3 4海图上各种要素的起算面 海图上航标的灯高 是从大潮高潮面向上起算至灯光中心的距离 这样 便于在船上直接测灯高 各种地形 地物的高程 明礁高度从高程基准面向上起算 礁石采用不同的基准面 明礁的高程从高程基准面起算 干出滩 礁 高度 从深度基准面向上起算 海底及水下障碍物深度 从深度基准面向下起算 暗礁则从深度基准面向下起算 适淹礁则是位于深度基准面上的礁石 海图上的基准面不但决定了海图上的安全水深 还决定了礁石的性质 2海图的数学基础 海图上各种起伏要素的起算 2海图的数学基础 2 4海图比例尺 比例尺概念图上线段长度与实地对应线段长度之比 表示由实地到海图图面的缩小程度 其数学表示 式中 M 海图比例尺分母dS 图上某一微分线段的长度dS 实地对应线段在地球椭球面上垂直投影所得线段的长度 2海图的数学基础 比例尺的形式 数字式 1 5 000 文字式 五千分之一 图上x厘米相当于实地x公里 等图解式 直线比例尺公里尺复比例尺 注意与陆图的区别 2海图的数学基础 2 5海图坐标系 坐标系的概念地理坐标 用经纬度表示的地面点的平面 或球面 位置 大地坐标 用某一坐标系中的经纬度表示的地面点的地理坐标 坐标系 指定了椭球体和大地原点和起始方位角的地理坐标系 坐标系的确定 选定一个椭球体并确定它与大地体的关系 2海图的数学基础 2000国家大地坐标系 CGCS 2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现 其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下 长半轴a 6378137m扁率f 1 298 257222101地心引力常数GM 3 986004418 1014m3s 2自转角速度 7 292l15 10 5rads 1 2海图的数学基础 1954北京坐标系引进苏联大地坐标系东北地区联测克拉索夫斯基椭球体北京建立大地原点1958年开始采用 2海图的数学基础 1980坐标系即西安坐标系IUGG推荐椭球体 a 6378140 扁率 1 298 257 陕西泾阳建立大地原点全国范围最佳拟合 2海图的数学基础 WGS 84坐标系即世界大地坐标系WGS 84 WorldGeodeticSystem 1984年 是美国国防部研制确定的大地坐标系 其坐标的几何定义是 原点在地球质心 Z轴指向BIH1984 0定义的协议地球极 CTP 方向 X轴指向国际时间局 BIH BIH1984 0的零子午面和CTP赤道的交点 Y轴与Z X轴构成右手坐标系 2海图的数学基础 三海图内容 1 数学要素2 地理要素3 辅助要素 3海图的内容 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 例如各种海图上图廓外的接图表 图例 图名 出版单位 出版时间 等等 又如航海图中的对景图 潮信表 潮流表 单位换算表 内插尺 图廓上的对数尺 等等 3海图的内容 3海图的内容 3海图的内容 3海图的内容 海图上的主要地理要素 1 海部要素2 陆部要素 3海图的内容 海部要素 海岸 是海陆分界线 是任何海图上的重要要素 在大比例尺航海图上 海岸分成岸线和海岸性质两部分表示 岸线是指多年大潮高潮面时的水陆分界线 海岸性质是指海岸阶坡的组成物质及其高度 坡度和宽度等 在大比例尺海底地形图和登陆 抗登陆用图等海图上也详细表示海岸性质 而在其它海图上 常常只表示岸线 3海图的内容 3海图的内容 干出滩 海岸线与干出线 零米等深线 之间的海滩地段称干出滩 相当于地理学中的潮浸地带 高潮时淹没 低潮时露出 干出滩上有岩石 泥 沙等不同的物质构成 有起伏的地貌形态 是人类活动比较频繁的海域之一 3海图的内容 3海图的内容 海底地貌 即海底表面的起伏形态和土质 各种天然的航行障碍物 如礁石 浅滩 海底火山 岩峰等 也属海底地貌范畴 3海图的内容 航行障碍物 除天然的礁石 浅滩等以外 人工的主要有沉船 木桩 钢管 钻井遗物 爆炸物 失锚等 礁石 3海图的内容 沉船 3海图的内容 障碍物 3海图的内容 水文要素 主要指潮流 海流 潮信 急流 旋涡及冰情等 1 潮信表 3海图的内容 例如 潮流图回转潮流除了用潮流表表示外 也可以用潮流图符号表示 矢量符号表示潮流流向 地名 青岛 表示主港名称 0表示主港 青岛港 高潮时 1 2 3 表示主港高潮前时 表示主港高潮后时配置有潮流图的图幅 若其主港未列入潮信表中 应该在潮信表或潮流表下方加注主港平均高潮间隙说明 3海图的内容 3海图的内容 2 潮流和海流 3海图的内容 助航标志 分成航行目标和助航设备两类 航行目标是指从海上可望见的有明显可辨特征的 航行时能借助用于导航定位的各种地物 如突出山头 著树 烟囱 无线电塔 海角 海中岩峰等 助航设备是专为航行定位设立的 如灯塔 灯桩 浮标 立标 信号台 杆 等 此外 还有航道 锚地 海底管线 油管 电缆等 水中界线 港界 锚地界 禁区及其它区界 境界线等 3海图的内容 陆部要素 海图上陆地部分要素的种类与地形图基本一致 也有 水系 居民地 道路网 地貌 境界线等 航海图上除土壤植被一般不表示外 其它要素均表示 但载负量要小得多 而港口 航行目标等与航行有关的的要素则比地形图更为突出详细 其它专题海图陆地要素表示得更为简略一些 3海图的内容 四海图的分幅与编号 4 1海图的分幅 4 1 1海图分幅原则分幅的基本原则是在保证航行安全和方便使用的前提下 尽可能减少图幅的数量 一条重要航道在可能的条件下 应该完整的放在图幅航道内 进来不要在它的中间或转折点处中断图幅 使航道一截两段 造成航行困难 港口航道图的分幅 不能象地形图等的分幅一样 保持规定的经纬度差 图幅面积的大小是不固定的 它由描绘图形的面积来决定 由于印刷设备或图纸规格的限制 一般港口航道图全开图纸的大小不大于774毫米 1074毫米 对开图纸的大小不大于537毫米 774毫米 4海图的分幅与编号 4 1 2图幅形式 1 整幅图 整张图纸内仅有一张图幅叫整幅图 叠幅图 纵幅图 横幅图 破廓 开口 图 2 拼幅图 将两个或两个以上相邻的制图区域拼绘在一张图纸上出版 称为拼幅图 拼接图 附图 分图 4海图的分幅与编号 4 2海图的编号 4 2 1航行图编号 四位数 首位 1 表示北方海区 2 表示东海海区 3 表示南海海区第二位数字表示比例尺分母的首位 第三 四数字表示该海图序列号 例如 2308 吕四港至象山港 的含义是 2表示东海海区 3为该图比例尺1 30万 08为全国1 30万沿海图总共有17幅 从北到南排号为第8幅 4海图的分幅与编号 4 2 2港口航道图编号 五位数 首位数字 1 表示辽宁省 2 表示河北省及天津市 3 表示山东省 4 表示江苏省及上海市 5 表示浙江省 6 表示福建省 7 表示台湾省 8 表示广东省 9 表示广西壮族自治区 0 表示海南省第二位数字表示表示沿海各省地级市序号第三位 表示沿海各省地级市范围内港口序号第四 五位数字表示该港图幅编号 4海图的分幅与编号 五助航标志 助航标志 AidsToNavigation ATN 简称航标 是通过特定的视觉 听觉 无线电标志和信号维护水上交通畅通 保障舰船安全 经济航行 支持海洋资源开发的重要人工设施 主要作用 指示航道 标示危险区 航道附近的沉船 暗礁 浅滩等 供舰船定位及其他专门使用 标示测量 检疫 捕鱼作业区及供布雷 扫雷 测定舰船性能和消除罗经自差等 5助航标志 航标的分类 5助航标志 陆上航标 5助航标志 5助航标志 5助航标志 水上航标 5助航标志 5助航标志 5助航标志 5助航标志 无线电航标 无线电航标包括专门为导航而设置的无线电导航台 无线电指向标 以及为配合雷达定位和导航用的雷达航标等 有的无线电航标独立设置在陆地上 如罗兰A 罗兰C等 有的则作为一种技术装置附设于陆上航标和水上航标 如无线电指向标 雷达航标等 5助航标志 5助航标志 5助航标志 航标的技术装置 1 发光装置 灯器 光色我国采用白 红 绿 黄 橙五种 节奏 周期2 音响装置 雾钟 雾锣 雾哨 雾角 雾笛等3 无线电装置 无线电指向标 有环射式 定向式 旋转式 雷达航标 有雷达反射器 雷达应答器 雷达指向标等 闪白10秒60米15海里 雾笛 雷应答 电指向 5助航标志 海区水上助航标志制度 浮标的五类标志 侧面标志 方位标志 孤立危险物标志 安全水域标志 专用标志 浮标A区域和B区域的区别A区域 左红右绿 左罐右锥B区域 左绿右红 左锥右罐 5助航标志 侧面航标 侧面标志 LateralMarks 根据航道走向配布 用以标示航道两侧界限或标示推荐航道 特定航道 如疏浚航槽 确定航道走向的原则是 1 船舶由海向里 即从海上驶近或进入港口 河口 港湾或其他水道的方向 2 在外海 海峡或岛屿之间的水道 原则上按围绕大陆顺时针航行的方向 3 在复杂的环境里 航道走向由航标主管部门确定 4 当船舶顺航道走向航行时 其左舷一侧为航道的左侧 右舷一侧为航道的右侧 5 侧面标志包括左侧标 右侧标 推荐航道左侧标和推荐航道右侧标 5助航标志 5助航标志 方位标志 方位标志 CardinalMarks 与航海罗经结合使用 设在以危险物或危险区为中心的北 东 南 西四个象限 分别命名为北方位标 东方位标 南方位标 西方位标 标示可航水域在本标同名一侧 方位标志也可设在航道的弯道 分支汇合处或浅滩的终端 如北方位标设在危险物或危险区的北方 船舶应在该标的北方通过 孤立危险物标 孤立危险物标志 IsolatedDangerMarks 设置或系泊在孤立的危险物之上 或尽量靠近危险物的地方 标示孤立危险物所在 船舶应参照有关航海资料避开该标航行 安全水域标志 安全水域标志 SafeWaterMarks 设在航道中央或航道的中线上 标示该标周围均为可航水域 船舶可在其任何一侧航行 该标亦可代替方位标或侧面标指示接近陆地 5助航标志 5助航标志 专用标志 用标志 SpecialMarks 主要不是为助航目的而设置的 它用于指示某一特定水域或特征 各种不同用途的专用标必要时在有关航海图书资料中予以说明 为了便于识别和使用各种专用标 在标体明显处漆以特殊标志 其灯光采样莫尔斯信号 5助航标志 5助航标志 航标的注记 航标除了在航道上标明位置外 还应对航标的标名 编号 灯质 看守办法及附属设备加以注记 装有发光设备的航标 如 灯塔 灯桩 灯船 灯浮等 都要注明它们的灯质 灯质包括灯光的发光方式 5助航标志 灯质 定光 灯光常明不灭 闪光 每隔一定时间发光一次 灯色不变 发光时间比熄灭时间短 联闪光 每隔一定时间连续闪光两次或两次以上 灯色不变 发光时间比熄灭时间短 明暗光 每隔一定时间发光一次 灯色不变