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Karten, Landkarten, Seekarten
Eine Karte ist eine Abbildung der Erdoberfläche bzw. eines Teiles davon, die die reale Kugel-Oberfläche verkleinert, verebnet, also auf zwei Dimensionen reduziert, und in einer Richtung orientiert darstellt.
Karten helfen den Menschen, den (besten, schnellsten) Weg von einem Ort zum anderen zu finden oder Informationen über Länder, Regionen und Städte zu erhalten.
Oder sie helfen den Seefahrern – der Berufsschifffahrt wie den Sportbootfahrern, Berufspiloten wie Hobbypiloten – den richtigen Kurs und das gewünschte Ziel zu finden.
Kleine Historie der Kartografie
Als Autokarte, Seekarte, Wetterkarte, Wanderkarte, als Stadtplan, als U-Bahn Plan oder auch als elektronische Karte für die Verwendung eines GPS Systems - z. B. im Auto - sind sie für die allermeisten Menschen aus ihrem Leben kaum noch wegzudenken. Aber wie werden Karten erstellt?
Auf welcher Grundlage basieren sie und wie verändern sie sich aus einem anderen Blickwinkel auf die Erde?
Das Wort Karte stammt aus dem Griechischen und leitet sich von dem Begriff „Chartes“ ab, mit dem die Griechen aus der Papyruspflanze gewonnenes Papier bezeichneten.
Die älteste bekannte Darstellung der Erde stammt aus dem Norden Mesopotamiens und wurde auf rund 6.200 Jahre v. Chr. datiert. Die Karte stellt das damalige babylonische Weltbild in Ton geritzt dar.
Die Kartendarstellungen spiegeln immer das Weltbild der Zeit aus der sie stammen dar. So gehen die ersten „neueren“ Kartendarstellungen von der Scheibe als Erdgestalt aus. Die berühmteste europäische Karte ist hierbei die Ebstorfer Weltkarte, die um 1300 entstanden ist. Sie stellt einen Ausschnitt der Erde nach dem mittelalterlichen Weltbild dar. Im Mittelpunkt liegt Jerusalem, im Osten eine Zeichnung des Paradieses und in der rechten unteren Ecke Europa mit verschiedenen Städten.
Die ersten Karten gingen, wie erwähnt, von dem Bild der Erde als Scheibe aus, obwohl Bereits im 6. Jahrhundert vor Christus erkannte der Philosoph Pythagoras (Satz des Pythagoras), dass die Erde eine Kugelgestalt haben muss. Der Gelehrte Kyrene berechnete sogar bereits um ca. 250 v. Chr. den Erdumfang, dessen Wert nur gering von dem heute bekannten Wert abwich. Trotz dieser Kenntnisse stellen die Römer in Ihren Kartenwerken die Erde nicht als Kugel, sondern als Scheibe dar, da dies für ihre Zwecke der Kriegsführung genügte. Die Kirche übernahm dieses geozentrische Weltbild von dem griechischen Mathematiker, Astronomen und Philosophen Claudius Ptolomäus (100-170) und verleugnete damit elementare Kenntnisse und Errungenschaften aus der Geschichte seit der Antike. Vor allem verwarf er das von Aristarchos von Samos (310-230 v.Chr.) und Seleukos von Seleukia (um 190 v.Chr. - unbekannt) vertretene heliozentrische Weltbild, das sich erst nach fast 1.500 Jahren wieder aufgrund der Arbeiten und Forschungen Giordano Bruno (1548-1600), Nikolaus Kopernikus (1473-1543), Johannes Kepler (1571-1630) und Galileo Galilei (1564-1642) endgültig durchsetzen konnte.
Erst durch die Seefahrt im 15.Jahrhundert nach der Entdeckung Amerikas entwickelte sich die Kartographie rasant weiter, da zum einen die Seefahrer neue Erkenntnisse über das Aussehen der Erde gewannen und zum anderen genaue Karten für die weiten Reisen übers Meer unabkömmlich waren. Die Erfindung des Buchdruckes beschleunigte außerdem die Verbreitung der Karten.
Neue Messmethoden hatten zur Folge, dass die Erde immer neu und präziser vermessen werden konnte. Erwähnenswert ist dabei die „Carte de Cassini“ von 1793 - die erste bekannte topographische Karte in unserem Kulturkreis. Sie beruht auf der Vermessung von ganz Frankreich durch die Familie Cassini.
Der Struve-Bogen
Der Struve-Bogen ist ein festgelegtes Netz von geodätischen Messpunkten auf der Erde mit dem Ziel, die genaue Größe und Form der Erde zu bestimmen.
Die insgesamt 256 Messpunkte des Struve-Bogens erstrecken sich über rund 2.822 km über die Staaten Norwegen, Schweden, Finnland, Russland, Estland, Lettland, Litauen, Weißrussland, Moldawien und Ukraine.
Als Messpunkte dienen natürliche Landmarken wie Obelisken oder Erdhügel.
Die Meridianmessung wurde von 1866 bis 1855 von dem Astronom Friedrich Georg Wilhelm Struve durchgeführt.
Heute wird der Struve-Bogen, betreut von der Internationalen Vereinigung der Vermessungsingenieure, immer noch zur Erdvermessung genutzt.
Am 15.Juli 2005 wurde der Struve-Bogen von der UNESCO in die Liste des Weltkultur- und Naturerbes der Menschheit aufgenommen, da er neben seiner Bedeutung für die Geodäsie außerdem als Beispiel für die wichtige internationale Zusammenarbeit in Wissenschaft und Forschung gesehen wird.
Gestalt der Erde, Koordinatensysteme
Um zu verstehen, wie eine Karte entsteht, muss man zunächst die Grundlage der Karte, nämlich die Gestalt der Erde selbst genau kennen.
Pythagoras (570 v.Chr. bis nach 510)) postulierte bereits um 500 v. Chr. dass die Gestalt der Erde keineswegs der Gestalt einer Scheibe, sondern der einer Kugel entsprach.
Nachdem sich im Spätmittelalter allmählich die Erkenntnis durchgesetzt hatte, dass die Erde eine Kugel ist kamen durch das Gravitationsgesetz von Isaac Newton (1643-1727) Zweifel an der perfekten Kugelform auf.
Das Bild der Gestalt der Erde wurde erneut modifiziert. Heute weiß man, dass die Erde ein Geoid ist, der durch die Fliehkraft und die unterschiedliche Dichte der Erdmasse an den Polen abgeplattet ist.
Für die Erstellung von Karten geht man aber immer noch im Prinzip von der Kugelgestalt der Erde aus, da die damit gemachten Fehler in den Projektionen sehr klein bis vernachlässigbar sind. Der Durchmesser der Erde beträgt übrigens 12.756,3 km.
Die Längengrade werden auch als Meridiane bezeichnet.
Damit ist jeder Punkt auf der Erdoberfläche durch seinen Längen- und Breitengrad genau definiert.
In der Kartographie unterscheidet man noch – in Abhängigkeit von den verschiedenen Anwendungszwecken - zwischen dem geographischen, dem geozentrischen und dem geodätischen Koordinatensystem.
Ein Punkt in einer derartigen Ebene ist durch Festlegen seiner X- und Y- Koordinaten - wie in der Abbildung ersichtlich - eindeutig festgelegt.
Sofern man das Ganze dreidimensional betrachtet, also auch in der Höhe hinzunimmt, z.B. bei der Bestimmung des jeweiligen Ortes eines Flugzeugs, bedarf es einer dritten Koordinate, die meist mit symbolisiert wird.
Zu diesem Zweck hat man die Erde in Kreisbögen eingeteilt. Es sind dies die Breitengrade, die von 0° - dem Äquator - bis 90° Nord, dem Nordpol und bis 90° Süd, dem Südpol reichen.
Die Gradangabe bei einem Breitengrad ist dabei der Winkel, den die Fläche eines bestimmten Breitengrades durch den Erdmittelpunkt mit der Fläche des Äquators bildet.
Die Breitengrade ihrerseits sind in 60 Bogen-Minuten (') und die Bogenminuten wiederum in 60 Bogensekunden ('') unterteilt.
Die südlichen Breitengrade werden oft auch mit einem "Minuszeichen" und die nördlichen mit einem "Pluszeichen" gekennzeichnet.
Diesem Längengrad - auch als Null-Meridian bezeichnet - hat man den Wert 0° gegeben.
Alle weiteren derartigen Verbindungen vom Nordpol zum Südpol in Richtung Osten laufen bis zu einem Längengrad von 180° Ost - und in Richtung Westen - bis zu einem Längengrad von 180° West.
Die östlichen Längengrade werden mit einem "Pluszeichen" vor der Gradangabe und die in westlicher Richtung mit einem "Minuszeichen" gekennzeichnet.
Dabei sind die Längengrade 180° Ost und 180° West identisch, hier befindet sich die Datumsgrenze.
Beim Überschreiten der Datumsgrenze von Westen nach Osten springt dort das Datum einen Tag vor und beim Überschreiten von Ost nach West entsprechend einen Tag zurück – jeweils zur selben Urzeit.
In diesem System liegt die z- Achse in der Rotationsachse der Erde, die xy-Ebene in der Äquatorebene und die xz- Ebene in der Meridianebene von Greenwich.
Anwendung findet dieses Koordinatensystem in den Fachbereichen der Geophysik, der Astronomie und der Satellitentechnik, wie auch beim GPS (Global Positioning System), das bekanntlich auch die Höhe eines Ortes angibt.
Je nach Art der Anwendung ist die Lage des Nullpunktes, also des Schnittpunktes der x- und y-Achse, verschieden.
Kartenprojektionen
Jeder Kartenprojektion liegt ein mathematisches Modell zugrunde, das die Punkte aus einem geographischen Koordinatensystem der gekrümmten Erdoberfläche in ein Koordinatensystem der Ebene überträgt.
Dabei möchte man natürlich alle tatsächlichen Winkel,- Flächen,- und Längenverhältnisse der Erdkugel beim Übertragen in die ebene Darstellung (Karte) beibehalten.
Wie aber der schweizer Mathematiker und Physiker Leonhard Euler (1707-1783) bereits im 18. Jahrhundert bewiesen hatte, ist dies nicht möglich.
Man muss sich – je nach Anwendungszweck - daher zwischen längentreuen (Äquidistanten), winkeltreuen (konformen) und flächentreuen (äquivalenten) Darstellungen entscheiden.
Winkeltreue bedeutet dabei, dass alle Winkel im Bild, also hier der Karte, denen des Originals also der Erdkugel entsprechen. Die wichtigsten Abbildungsverfahren zum Erstellen von Karten der Erdoberfläche sind die:
- Kegelprojektionen
- Zylinderprojektionen und
- Azimuthalprojektionen
Zum Verständnis dieser Projektion der Oberfläche der Erde auf eine ebene Karte stelle man sich vor, das man einen Kegel in der in der Abbildung gezeigten Weise über den Erdglobus stülpt.
Der Kegel schneidet die Kugel dabei an zwei Breitengraden. Damit kann man auf diesem Kegel ein Abbild der Kugel scannen, über der der Kegel gelegt wurde. Der Kegel wird anschließend in der Ebene abgerollt.
Das Ganze geschieht heutzutage natürlich mit Hilfe einer mathematischen Rechenvorschrift (Algorithmus) und unter Zuhilfenahme von Rechnern.
Die ICAO = International Civil Aviation Organization (deutsch: Internationale Zivilluftfahrt-Organisation) ist eine Organisation der Vereinten Nationen, die Standards für den zivilen Luftverkehr eingeführt hat.
Sie wurde 1944 durch das Übereinkommen über die internationale Zivilluftfahrt gegründet; sie hat ihren Sitz in Montréal/Kanada. Die Organisation umfasst 190 Mitgliedsländer.
Diese Karten besitzen die folgenden Eigenschaften:
- Sie sind winkeltreu
- Die Meridiane (Längengrade) sind gerade Linien und laufen zum Pol hin zusammen
- Die Breitengrade sind konzentrische Kreise mit fast demselben Abstand
- Die Verzerrung der Flächen ist gering
Mercator-Zylinderprojektion
Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Zylinderprojektionen. Wir beschränken uns an dieser Stelle auf die wichtigste, die Mercator-Zylinderprojektion.
Anschaulich kann man sich eine derartige Projektion so vorstellen, dass man einen Zylinder senkrecht um die Erdkugel legt, der die Erdkugel am Äquator berührt.
Die Mercator-Zylinderprojektion wurde 1569 von Gerhard Mercator (1512-1594) ursprünglich für die Seefahrt entworfen. Mercator entwarf seine Projektion so, dass der Abstand der Breitengrade mit zunehmendem Abstand vom Äquator immer größer wurde.
Diese Karten konnten in der Seefahrt genutzt werden, um weit auseinander liegende Punkte durch gerade Linien miteinander zu verbinden.
Bei der Mercatorprojektion ist allerdings die Verzerrung der Längen und Flächen so groß, das bei 60° geographische Breite ein doppelter Längen- und ein Vierfacher Flächenmaßstab vorliegen.
Die Pole liegen von 60° Breite ausgehend im Unendlichen und sind somit überhaupt nicht darstellbar.
Diese Art der Darstellung führt nicht nur bei den polarnahen Regionen zu einer erheblichen Verzerrung der Flächen der dargestellten Länder bzw. Kontinente.
So wird z.B. Afrika relativ klein und (Nord)Europa erheblich größer - als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht – dargestellt.
Das führte sogar zu Einsprüchen und zur Verärgerung in einer Reihe von Ländern, die sich dadurch diskriminiert fühlten. Derartige Karten besitzen die folgenden Eigenschaften:
- Die Breitengrade sind parallele gerade Linien mit ungleichen Abständen
- Die Längengrade sind parallele Linien mit gleichen Abständen
- Je weiter eine Fläche vom Äquator entfernt ist, umso größer ist die Flächenverzerrung
- Die Karte ist winkeltreu
Derartige Karten werden vorwiegend für Seekarten und topografische Karten verwendet.
Transversale Mercator-Zylinderprojektion
Bei der transversalen Mercator-Zylinderprojektion wird der Zylinder in der in der Abbildung ersichtlichen Weise mit seiner Achse senkrecht zur Erdachse über die Erdkugel gestülpt.
Dazu legt man der Abbildung entsprechend z.B. ein Stück Pappe auf den Nord- oder Südpol der Erdkugel und kommt so zu der dargestellten Projektion.
Sofern die Fläche (Pappe) einen der beiden Pole berührt spricht man von einer polständigen Projektion. Berührt die Fläche die Erdoberfläche an einem anderen (beliebigen) Punkt, so spricht man von einer zwischenständigen Projektion.
Man verwendet azimutale Abbildungen als Spezialdarstellungen vor allem für die Darstellung polnaher Regionen und für die dortige Navigation. Eine polständige Projektion besitzt die folgenden Eigenschaften:
- Die Breitengrade sind konzentrische Kreise mit verschieden großem Abstand
- Die Längengrade sind gerade Linien, die sich am Pol schneiden
- Die Darstellung ist winkeltreu
- Mit der Entfernung vom Pol vergrößert sich die Flächenverzerrung
Seekarten
Die Entwicklung der Seekarte hing maßgeblich von den Möglichkeiten der Vermessung der Erdoberfläche und besonders natürlich der Seegebiete ab.
Als Basis diente die von Mercator beschriebene Projektion der Erdkugel auf eine Ebene.
Als im 18. Jahrhundert präzise Winkelmessinstrumente entwickelt worden waren und die Kenntnisse in Astronomie, Geographie und Mathematik immer präziser wurden, entstand die moderne Seekarte, die dann im Laufe des 19. Jahrhundert zunehmend an Bedeutung gewann. Die Niederlande beispielsweise - mit schwierigen Fahrwassern vor den eigenen Küsten - etablierten sich dabei bereits im 16. Jahrhundert zum Zentrum der Seekartographie. Obwohl Portugal und Spanien als die Entdecker der meisten Seewege gelten, waren sie aufgrund ihrer wirtschaftlichen Interessen in den entdeckten Ländern darauf bedacht, ihre Entdeckungen geheim zu halten und waren somit nicht an einer Verbreitung ihrer Karten interessiert. Die Erfindung des Buchdrucks trug dann aber wesentlich zur weiten Verbreitung der Karten bei.
Zur Navigation sind auf Seekarten die Wasserstraßen, Küsten und Inseln, militärische Sperrgebiete sowie die Tiefenlinien dargestellt. Auch Wracks oder sonstige Hindernisse am Meeresboden wie Pipelines oder Kabel sind aus Sicherheitsgründen verzeichnet. Bei der Darstellung wird das Land gelblich und die Meeresgebiete in Blautönen - nach Tiefen im Farbton abgestuft - dargestellt. In den ersten Seekarten war das Meer noch purpurn dargestellt, nach der in ihr lebenden Purpur Schnecke. Am linken und rechten Rand der Seekarte findet man eine Darstellung der entsprechenden Breitengrade mit ihren Untereinteilungen, den Bogenminuten. Dabei gilt: 1 Grad = 60 Bogenminuten. Am oberen und unteren Rand sind in der gleichen Weise die Längengrade dargestellt.
Heutige Seekarten, Sportbootkarten
Amtliche Seekarten erhält man beim Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, das seinen Sitz in Hamburg und Rostock hat.
Aber es gibt neben den Seekarten auch die so genannten Sportbootkarten mit handlicheren kleineren Abmessungen. So ist die größte Seekarte beispielsweise 118,9 cm mal 84,1 cm (DIN A0) groß. Die Größe einer Seekarte variiert allerdings – außerdem gibt es sie im Hoch- und Querformat. Sportbootkarten dagegen besitzen Abmessungen von cm mal cm.
Aber die Entwicklung der EDV hat auch hier nicht halt gemacht. So werden in zunehmendem Maße selbst auf kleineren Sportbooten elektronische Seekarten verwendet. Sie können mit einen GPS und einem Radar gekoppelt werden und somit das Niveau der Berufsschifffahrt erreichen. Derartige Anlagen einschließlich eines Radargeräts sind mittlerweile - je nach Qualität und Größe – unter 5.000 € erhältlich. Die Seekarten sind – stets auf dem neuesten Stand – auf DVD´s oder CD`s erhältlich. Diese Seekarten können z.B. gezoomt werden – von der großen Übersichtskarte bis hin zum detaillierten Hafenplan.
Auf den kleineren Schiffen wird mit Hilfe eines Magnetkompasses gefahren, der bekanntlich in Richtung des magnetischen Nordpols zeigen sollte, aber vom Magnetismus des Schiffes oder von Teilen auf dem Schiff abgelenkt werden kann. Diese Ablenkung (Abl: in Grad angegeben) zwischen dem Magnetkurs und dem missweisenden Kurs kann positiv oder negativ sein. Außerdem gibt es in der Regel einen Unterschied zwischen dem vom Kompass angezeigten magnetischen Nordpol und dem geografischen Nordpol, den die Karte angibt. Diese Abweichung zwischen Karten-Nord und Kompass-Nord wird als Missweisung (Mw: in Grad angeben) bezeichnet und ist auf den Seekarten als westliche (negativ) oder östliche Missweisung (positiv) eingezeichnet.
Karten im Alltag
Die Darstellung der geographischen Gegebenheiten wie Landschaftsform, Flüsse oder Höhen entfallen in der Regel zu Gunsten der besseren Erkennbarkeit des dargestellten Themas.
Eine solche Karte nennt man „generalisierte“ Karte.
Maßstab
So bedeutet beispielsweise ein Maßstab von 1:25.000, dass 1 cm auf der Karte 25.000 cm = 250 m in der „Wirklichkeit“ entspricht. Und ein Maßstab von 1:100.000 bedeutet, dass 1cm auf der Karte 1 km in der „Wirklichkeit“ ist.
Atlanten, Landkarten
Das Wort Atlas stammt aus dem griechischen und bedeutet „Träger“. Man versteht darunter eine in einem Buch gebundene Zusammenstellung von verschiedensten thematischen Karten.
Die Karten stellen dabei sowohl unterschiedliche Themen als auch unterschiedliche Regionen der Welt dar. Der erste bedeutsame Weltatlas, die „Mapa Mondi“, wurde bereits 1375 in Spanien erstellt.
Diese Karte war die Grundlage aller folgenden Kartenwerke in dieser Zeit. Erst um 1550 erschien ein weiteres Werk gebundener Karten von Abraham Ortelius. Er nannte es Theatrum Orbis Terrarum, was „Weltbühne“ bedeutet. Gerhard Mercator war allerdings der erste, der sein gebundenes Werk, das er Ende des 15. Jahrhunderts veröffentliche, den Namen „Atlas“ gab.
Der Schulatlas heute bietet neben den geographischen Darstellungen von Ländern und Regionen auch thematische Katen, die beispielsweise Wirtschaftssituation, sektorale Gliederung oder landwirtschaftliche Nutzung darstellen.
Bei einem Maßstab von 1:10.000 entspricht ein cm auf der Karte 1 km in der realen Welt. Landkarten können sowohl sehr kleine Regionen der Erde darstellen als auch nahezu den gesamten Globus.
Höhen werden in einer Landkarte durch Linien veranschaulicht, die jeweils Punkte gleicher Höhenlagen miteinander verbindet. Diese Höhenlinien nennt man Isohypsen.
Eine Landkarte sollte immer aus einem Kartenfeld, einem Kartenrahmen und einem Kartenrand bestehen. Dabei stellt das Kartenfeld die eigentliche Abbildung der Karte dar.
Dieses wird begrenzt vom Kartenrahmen zu dem auch Angaben über die Koordinaten des verwendeten Koordinatensystems gehören.
Am äußeren Rand des Kartenblattes befindet sich der Kartenrand und in ihm Quellenangaben, Maßstabsangaben, die Kartenlegende, Informationen zum Autor und Urheber der Karte sowie ein Nordpfeil.
Häufig wird hier einer der beiden Pole als Mittelpunkt der Projektion verwendet. So lässt sich jeweils eine Halbkugel der Erde bis zum Äquator abbilden.
Stadtpläne
Auf einem Stadtplan sind mindestens das Verkehrsnetz und die bebauten und freien Flächen der Stadt dargestellt.
Aus detaillierten Darstellungen gehen oftmals auch die Straßennamen, sowie Sehenswürdigkeiten, wichtige administrative Gebäude, städtische Grünflächen und Wasserstraßen hervor.
Besonders hilfreich sind Stadtpläne in denen das gesamte öffentliche Nahverkehrsnetz mit aufgenommen ist. Die Maßstäbe für Stadtpläne werden in der Regel zwischen 1:100.000 und 1:250.000 gewählt.
Straßenkarten, Autokarten
Straßenkarten gehören zu den thematischen Karten und werden meistens im Maßstab 1:200.000 veröffentlicht.
Sie dienen der Orientierung auf Autobahnen und allen anderen Straßen die öffentlich zugänglich sind. Straßenkarten beinhalten eine Darstellung der Verkehrswege, wobei die Straßen je nach Nutzung in unterschiedlichen Farben und Dicken dargestellt sind.
Die Nummern der Straßen sind auch Inhalt der Darstellung. Viele Karten enthalten zusätzlich Entfernungsangaben, die es dem Nutzer erleichtern die zu fahrenden Kilometer abzuschätzen.
Desweiteren beinhalten gute Straßenkarten Tankstellen und Rastplätze sowie Motels oder andere Übernachtungsmöglichkeiten in der Nähe der Route.
Übliche Autobahnkarten haben den Maßstab 1:200.000. Für den Autofahrer sind Karten häufig in gebundener Form als so genannter Autoatlas erhältlich.
Wanderkarten
Wanderkarten erscheinen in der Regel in einem Maßstab von 1:25 000 und werden meist aus den amtlichen Kartenblättern des Kartenwerks „Topographische Karte“ des Landes abgeleitet. Ergänzt werden Wanderkarten durch Zusatzinformation wie Wanderwege, Hütten und Aussichtspunkte.
Auch kleine Wege, die Vegetation und die Beschaffenheit der Geländeoberfläche sind für den Wanderer aus einer solchen Karte sehr gut zu erschließen.
Mit einer Navigationsgenauigkeit von bis zu 10 m ist dies sicherlich eine Alternative zur herkömmlichen Karte, jedoch muss man dann leider auf jede Art von Zusatzinformation verzichten.
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