2. Z historii poziomicy

 
Zanim poziomica trwale zagościła na mapie, ukształtowanie terenu próbowano przedstawić różnymi metodami. Od umieszczanych na mapie prostych rysunków przedstawiających góry, poprzez profile lub kopce obrazujące pojedyncze wzniesienia bądź pasma górskie, czy też stosując kreskę Lehmann’a, cieniowanie lub spis liczb określających wysokość wybranych punktów, mapa doczekała się wreszcie poziomicy. Zanim więc przedstawiona zostanie historia izohipsy, poświęćmy chwilę uwagi innym metodom za pomocą których usiłowano oddać charakter obiektu bądź rzeźby trójwymiarowego terenu na dwuwymiarowej płaszczyźnie. Dodajmy, że obok generalizacji oraz odwzorowania było to zadanie nad rozwiązaniem którego trudziły się rzesze kartografów przez wiele stuleci.

Ryc. 2. Mapa wykonana

na glinianej tabliczce w Mezopotamii,

ok. 2400-2200 lat p.n.e. (rekonstrukacja).

Szukając pierwszych opracowań kartograficznych z naniesioną informacją hipsometryczną, musimy sięgnąć w bardzo odległą przeszłość. Spójrzmy na rekonstrukcję jednej z najstarszym map (ryc. 2), znalezionych w wykopaliskach ruin miasta Ga-Sur w Mezopotamii, datowaną na ok. 2400-2200 r. p.n.e. W celu zobrazowania dwóch pasm górskich okalających dolinę rzeczną (najprawdopodobniej Eufratu), umieszczono dwie grupy „garbów” scalonych ze sobą w dwuszeregu.

Przez następne długie lata, obok biegu koryt rzecznych, przebiegu traktów komunikacyjnych oraz nazw miejscowości, na mapach zazwyczaj znajdowały swoje miejsce także oznaczenia pasm górskich. Trudno dziś jednak jednoznacznie określić które formy graficzne ówcześni kartografowie wykorzystywali do przedstawienia rzeźby terenu. Musimy pamiętać, że graficzny wizerunek w znacznej większości starożytnych oraz wczesnośredniowiecznych map ulegał ciągłym przekształceniom. Wielokrotnie były one rekonstruowane (w istocie graficznie „upiększane”) w kolejnych wiekach zgodnie z panującą „modą” kartograficzną. Dla przykładu, na zrekonstruowanej mapie Eratostenesa, główne pasma górskie ówcześnie znanego świata, oznaczone zostały przy pomocy szeregu równoległych względem siebie kresek (zał. I), a na zrekonstruowanych mapach regionalnych autorstwa Ptolemeusza zarys gór przedstawiono za pomocą kopców bądź powierzchniowego znaku zasięgu (zał. II). W drugim przypadku rysownicy zaznaczali obszary górskie ciągłą linią obwodu, jakby poziomicą obiegającą wzniesienia wzdłuż ich podnóży. Powstała w ten sposób wewnętrzna biała plama oznaczać miała obszary kamieniste, nieuprawne, bezdrożne bądź niezamieszkane. Wydaje się, że właśnie ta metoda była najczęściej wykorzystywana przez autorów map, aż do XVI wieku. Wówczas to rzeźbę terenu zaczęto przedstawiać metodą perspektywiczną (figuratywną).

Ryc. 3. Piktogramy stosowane przy

metodzie kopczykowej.

Najczęściej były to wspomniane wyżej schematyczne kopczyki (kretowiska), stąd też metoda ta nazywana bywa kopczykową. Ich zagęszczenie świadczyć miało o urozmaiceniu rzeźby terenu. Ponadto, na podstawie układu kopczyków można było wyobrazić sobie przebieg pasm górskich. Początkowo podstawa kopczyka / kopczyków nawiązywała do przebiegu łańcucha górskiego (ryc. 3a), później ich układ ujednolicono i zwrócono w kierunku odbiorcy mapy, zatem ku jej dołowi (ryc. 3b, zał. III). Z czasem zróżnicowano kształt oraz wysokość kopczyków, co miało oddać charakter stoków oraz przybliżyć w większym stopniu wyobrażalności zróżnicowanie stosunków wysokościowych prezentowanego obszaru (ryc. 3c). Kulminacyjnym etapem ewolucji tej metody prezentacji rzeźby terenu było wprowadzenie kreski cieniującej (ryc. 3c). Ten plastyczny zabieg miał wywołać u odbiorcy złudzenie głębi prezentowanej na mapie powierzchni (zał. IV). Od tego czasu cień będący efektem „gry ze światłem” towarzyszyć będzie kolejnym twórcom map, poszukującym nowych strategii kartograficznych rozwiązujących problem trzeciego wymiaru.

Z pocz. XIX w. zaprzestano wykorzystywać poglądowe znaki perspektywiczne do przedstawienia rzeźby terenu. Nie zapomniano jednak o nich i po upływie wieku, w udoskonalonej formie powrócono do nich przy opracowaniach kartograficznych (także w niektórych atlasach szkolnych) ukazujących krajobrazy morfologiczne (typy rzeźby terenu). Przykłady tego typu znaków prezentuje ryc. 4.

Ryc. 4. Znaki perspektywiczne wybranych krajobrazów morfologicznych według E. Raisza

(za: K.A. Saliszczew 1998).

Należy zwrócić uwagę, że znaki perspektywiczne wprawdzie poglądowo ukazują charakter przedstawianej na mapie rzeźby terenu, jednakże nie oddają wymiernych informacji na temat wysokości danego miejsca. Tę niedogodność zmniejszyć miało umieszczanie na mapie punktów z naniesionymi obok wartościami wysokościowymi.

Ryc. 5. Zestawienie trzech metod
przedstawienia rzeźby terenu:
kopczykowej, kreskowej 
(zwróć uwagę na zróżnicowanie kresek)
oraz poziomicowej.

Kolejną metodą przedstawiania rzeźby terenu na mapach, o której należy wspomnieć jest kreskowanie. Za jej twórcę uważa się włoskiego astronoma, geodetę i matematyka G. D. Cassini’ego, który w 1670 r. zaproponował zastąpienie perspektywicznej metody kopczykowej układem cienkich kresek prostopadłych do zboczy dolin i wzniesień (zał. V), co swym wyglądem przypominało gąsienice bądź gałązki jodły. Sposób ten znalazł pełne zastosowanie dopiero w latach 1750-1815 przy opracowaniu mapy topograficznej Francji.

Wspomniana powyżej idea, stopniowo znajdywała kolejnych zwolenników, by wreszcie stać się podstawą najbardziej rozpowszechnionej odmiany metody kreskowej opracowanej i ogłoszonej drukiem w 1799 r. przez kartografa saksońskiego J. G. Lehmann’a. Zasadę opartą na prostopadłym oświetleniu, można krótko scharakteryzować: im bardziej stromo – tym ciemniej. Uogólniając, strategia ta polegała na zróżnicowaniu kresek (z reguły barwy szarej lub brązowej) pod względem ich grubości oraz manipulowaniu odległościami między nimi (ryc. 5). Na mapie wyglądało to w ten sposób, że w miarę wzrostu nachylenia zbocza kreski stawały się grubsze, a odległości między nimi malały (zał. VI).

 Subtelne różnice w grubości kresek oraz w odległościach pomiędzy nimi było możliwe
do uchwycenia dzięki powszechnie wówczas stosowanej miedziorytniczej technice druku.
Łatwo się zatem domyślić, że grawerowanie każdego arkusza mapy topograficznej
wymagało wielkiego kunsztu i trwało miesiącami.

Szraf Lehmann’a, mimo wielu istotnych wad (przede wszystkim znacznego zaciemnienia powierzchni utrudniającego czytelność pozostałych elementów mapy) powszechnie stosowany był na mapach niemieckich, austriackich, polskich oraz rosyjskich praktycznie do początku XX wieku. Równolegle do ulepszeń metody kreskowej ciągle szukano innego sposobu przedstawiania rzeźby terenu. Rozwiązaniem problemu miała wreszcie okazać się izolinia.

Idea mapy poziomicowej zrodziła się w Niderlandach prawdopodobnie już w XVI w. Dla mieszkańców nadmorskiej równinnej krainy, od pokoleń walczących z morzem o każdy skrawek ziemi, potrzebne były informacje na temat ukształtowania dna strefy przybrzeżnej morza, zwłaszcza w pobliżu ujścia rzek. Do budowy tam, kanałów czy portów, ówcześnie powszechnie stosowana metoda kreskowa nie mogła odegrać dużego znaczenia. Sporządzano więc mapy z naniesionymi nań pomiarami głębokości strategicznych punktów. Ich dalsza graficzna interpretacja w konsekwencji doprowadziła do wyrysowania układów linii łączących punkty o jednakowej głębokości. Otrzymaną w ten sposób linię, prawdopodobnie jako pierwszy, zastosował w 1584 r. holenderski geometra P. Bruinss, na swym szkicu kartograficznym przedstawiającym głębokość rzeki Spaarne. Po upływie blisko półtora wieku izolinię zaczęto stosować na szerszą skalę. Przykładowo, holenderski inżynier Nicolaas Kruik (łac. Nicolaus Samuelis Cruquius) w 1729 r. na swej mapie (z izobatami co 1 sążeń) przedstawił ukształtowanie dna ujściowego odcinka rzeki Merwede – nazwa połączonych rzek Waalu i Mozy (zał. VII).

Sążeń (1 sążeń = 6 stóp = 1,8288 m)
antropometryczna jednostka długości (miara odpowiadała długości rozpostartych ramion dorosłego mężczyzny). W Europie Zachodniej sążeń (ang. fathom) używany był do określania głębokości morza na mapach nawigacyjnych.

Kolejnym tego typu opracowaniem kartograficznym była morska mapa nawigacyjna Kanału La Manche (z izobatami co 10 sążni) opracowana w 1737 r. przez francuskiego geografa Philippe’a Bauche. Przeniesienie tej metody prezentacji rzeźby z wody na ląd było już kwestią czasu, a ściślej rzecz ujmując rozwoju terenowej techniki pomiarowej. 

W tym miejscu należy zaznaczyć, że rozwój pomiarów topograficznych począwszy od pierwszej połowy XVIII w. stymulowany był nie tylko potrzebą mapy jako niezbędnego narzędzia administrowania państwem, ale także zapotrzebowaniem armii na rzetelne informacje na temat ukształtowania powierzchni potencjalnych przeciwników militarnych. Wprawdzie mapy topograficzne dla potrzeb wojska kreślono już na początku XVII w. wraz z wynalezieniem triangulacji (Snellius 1613 r.), to szerokie zastosowanie znalazły one dopiero w okresie wojen napoleońskich. Wówczas to opracowano nową strategię bitewną, polegającą na walce w luźnym szyku na wielkich przestrzeniach. Związane z tą taktyką ruchy wojsk czy potajemne poruszanie się oddziałów i ich oskrzydlanie wymagały dokładnej znajomości terenu (J. Grzegórski 1958). Koniecznością stało się więc posiadanie dokładnych map, gdzie obok informacji o wodach, pokryciu terenu roślinnością czy traktach komunikacyjnych, odnaleźć można było izohipsy, które w przystępny sposób obrazowały również stopień pochyłości zboczy, po których transportowane były ciężki sprzęt wojenny. Momentem zwrotnym w określaniu „trzeciego wymiaru” miało być odkrycie ciśnienia atmosferycznego, a wraz z tym wydarzeniem wynalezienie barometru rtęciowego w 1643 r. przez E. Torricelii’ego i V. Viviani’ego. Potrzeba było jeszcze czterech lat, by wreszcie w 1647 r. za sprawą B. Pascal’a wykryć zależność wysokości od ciśnienia atmosferycznego. Pomiary oparte na wyżej wspomnianych odkryciach obarczone były jednak błędami wynikającymi z niedokładności instrumentów badawczych, a przede wszystkim z niedoskonałych formuł matematycznych (powiedzielibyśmy dzisiaj wzorów) umożliwiających przeliczanie spadku ciśnienia atmosferycznego na wysokość bezwzględną. Pomiary były wciąż nieliczne.

Dopiero w 1791 r., przede wszystkim z potrzeb strategicznych, powstaje mapa poziomicowa Francji (w skali około 1 : 2 000 000, z cięciem poziomicowym 20 m) autorstwa J. L. Dupain-Triel’a. Upowszechnienie, wydawać by się mogło przełomowej jak na owe czasy metody izolinii, nie nastąpiło jednak szybko. Przyczyną była zbyta mała liczba pomiarów wysokościowych. Sytuacja zmienić się miała diametralnie z chwilą wyprowadzenia przez Pierre’a Simon’a de Laplace (w 1796 r.) nowego wzoru, pozwalającego na sprawniejsze przeliczanie danych pomiarowych uzyskiwanych za pomocą barometru w terenie. Nie bez znaczenia miał również fakt, że opracowywanie map zaczęło finansować państwo, a nie – jak bywało wcześniej – osoby prywatne.  I tak, pierwsze dziesięciolecia XIX wieku były czasem lawinowego przyrostu danych wysokościowych. Wkrótce, niemal wszystkie państwa europejskie przystąpiły do prac terenowych, czego przejawem miały być instytucje kartograficzne powołane między innymi we: Francji (Dépôt de la Guerre et de la Topographie), Anglii (Ordnance Survey), Austrii (Kriegsarchiv), Prusach (Aufnahme- und Zeichenbureau) oraz w Rosji (Военно-Tопографическое Депо). 

Kolejny etap upowszechnienia poziomicy należy powiązać z rozwojem badań geologicznych oraz inżynierii skierowanych na budowę kolei. Szczególnie prace konstrukcyjne przy kolei wymagały precyzyjnych pomiarów wysokościowych. I tak Europę pokryła sieć niwelatorów, których wyniki wykorzystywano przy opracowywaniu kolejnych map poziomicowych (J. Pasławski 1974).

Z czasem, bezpośrednie pomiary terenowe zastąpione zostały innymi technikami; najpierw fotogrametrią naziemną (terrofotogrametrią), a następnie fotogrametrią lotniczą (aerofotogrametrią).

Pierwsze zdjęcia fotogrametryczne wykonano w Paryżu w 1858 r.
Były to zdjęcia z balonu, a ich autorem był Aimé Laussedat.

Ich zastosowanie uwarunkowane było zatem rozwojem optyki, fotografii oraz lotnictwa. Zdjęcia wykonywane były specjalnie skonstruowanymi do tego celu kamerami umieszczanymi w balonie, samolocie, a po upływie kolejnych dziesięcioleci – na satelicie. W zależności od sposobu wykorzystania zdjęć wyróżniono fotogrametrię płaską (jednoobrazową) i przestrzenną (dwuobrazową). Przy tej ostatniej, do pomiarów wykorzystuje się dwa zdjęcia (tzw. stereoparę) tego samego terenu, ale wykonane z dwóch różnych pozycji kamery. Stworzony w ten sposób stereogram, oglądany przez odpowiednio skonstruowany układ optyczny, umożliwia widzenie przestrzenne (trójwymiarowe) analizowanego obszaru. Otrzymany obraz, uzupełniony o dane na temat położenia kamery w momencie wykonywania zdjęć (φ – szer. geogr. i λ – dł. geogr. oraz wys. n.p.m.), służy następnie do opracowania precyzyjnej mapy sytuacyjno-wysokościowej zaopatrzonej m.in. w układ poziomic.

Z coraz szerszym wykorzystywaniem mapy poziomicowej zaczęto zastanawiać się nad polepszeniem jej czytelności. Rozwiązaniem – jak się później miało okazać – przełomowym, było wprowadzenie barwy pomiędzy poziomicami. I tak z mapy poziomicowej zrodziła się mapa hipsometryczna. Pierwotnie zastosowane na niej barwy nawiązywały do barw realnych krajobrazów. Prekursorami w tej dziedzinie byli niemieccy kartografowie Emil von Sydow oraz Hauslaub. Równocześnie - niezależnie od siebie - w 1842 r. wprowadzili barwę na mapy kreskowe. Podobnym rozwiązaniem kartograficznym cechowała się mapa Tatr z 1864 r. autorstwa profesora Uniwersytetu Praskiego K. Koristki. „Starał się on tak dobrać poziomice, aby stanowiły również granice pięter roślinnych, a powierzchnie między nimi zabarwiał na mapie stosownie do naturalnej barwy. Na przykład strefa między poziomicami 630 m a 790 m została zamalowana na żółto jako strefa uprawy owsa, strefy regla dolnego i górnego, ograniczone poziomicami 790 m, 1040 m i 1 360 m, otrzymały dwie barwy zielone, a strefa mchów i traw (1 670 m – 2 200 m) barwę czerwoną.” (J. Pasławski 1974).

Koncepcja tzw. barw krajobrazowych stosunkowo szybko upadła. Wystarczyło porównanie układu pięter roślinnych po południowej i północnej stronie Tatr by stwierdzić, że  obrana zasada daleka jest od prawdy. Zaczęto wówczas poszukiwać innych rozwiązań. Strategią, która uzyskała najwięcej zwolenników była koncepcja K. Peucker’a – redaktora naukowego jednej z wielu ówcześnie funkcjonujących w Wiedniu firm kartograficznych. Jedynym celem stworzonej skali barw hipsometrycznych, było wywołanie u odbiorcy plastyczności (powiedzielibyśmy dzisiaj iluzji 3D) prezentowanej rzeźby terenu (J. Pasławski 1974). Dodajmy, że K. Peucker starając się wyzyskać plastyczne oddziaływanie barw na oko ludzkie opracował skalę będącą wycinkiem tęczy. Stwierdził on, że efekt plastyczny barwy zależy od położenia w widmie słonecznym oraz jasności i nasycenia. Autor skali spełnił założenia wysunięte przez ww. Hauslaub'a, który pisał: "Dobierając skalę należy pamiętać, że barwy powinny: 1) wyraźnie się odróżniać i wzajemnie się nie mieszać; 2) wzajemnie się harmonizować, tworząc w całości dobrze zgraną skalę".

Do opisywanej historii poziomicy nadszedł wreszcie czas, by wprowadzić wątek polski. Przywołajmy zatem Eugeniusza Romera – twórcy polskiej kartografii szkolnej.

„Kiedy przed z górą 35 laty rozpocząłem nauczanie geografii w polskiej szkole średniej we Lwowie, byłem wprost zrozpaczony stanem środków naukowych, którymi rozporządzałem (...) W pełnym przekonaniu, że nie ma na całym świecie ani jednej mapy, która by chociaż w przybliżeniu oddawała wierne zarysy orograficzne kontynentów, postanowiłem dążyć do naukowej syntezy hipsometrii kuli ziemskiej. Oto był mój cel naukowy, zrodzony z nauczania.”

E. Romer, 1928 r.

Przypuszcza się, że swoją przygodę z kartografią Romer rozpoczął w 1893 r., w pierwszym roku pracy nauczycielskiej. Wówczas to zaobserwował, że jego uczniowie, mimo że pracują na tych samych mapach, mają jednak różne wyobrażenie o świecie. Stawiając sobie za cel poprawę zastałej sytuacji, Romer poszukuje nowych rozwiązań kartograficznych, również tych związanych z hipsometrią. Należy zaznaczyć, że w ówczesnej szkole funkcjonowały mapy obrazujące stosunki wysokościowe za pomocą szrafu i cieniowania. Obok takich właśnie map, Romer odnajduje barwną hipsometryczną Mapę ścienną Królestwa Galicji i Lodomerii z 1894 r., autorstwa Stanisława Majerskiego. Był nią zachwycony. Zaznaczmy, że była to pierwsza ścienna polska mapa poziomicowa. Kolejne lata przyniosły nowe mapy S. Majerskiego. Były nimi: mapa podręczna z 1901 r. Europa Środkowo-Wschodnia. Mapa fizyczna ziem polskich, oraz mapa ścienna z 1907 r. Ziemie dawnej Polski. Także w 1907 r.  ukazała się w Warszawie mapa Oskara Sosnowskiego Europa środkowa pod względem fizycznym. Ze względu na cenzurę carską nie umieszczono w tytule mapy nazwy „ziemie polskie”, mimo że w jej zasięgu znalazł się obszar od Rugii i źródeł Dniepru na północy po Adriatyk i Krym na południu. Wymienione powyżej mapy, dając niejako początek polskiej kartografii szkolnej, zarysowały wizję przyszłych hipsometrycznych map romerowskich. Pierwsze z nich można już było podziwiać w 1908 r., kiedy to do II wydania swojego podręcznika Geografia dla klasy pierwszej szkół średnich, Romer dołącza Atlas Geograficzny. Wprawdzie zasada hipsometrii E. Romera nie była jego autorstwem, to należy zaznaczyć, że nigdy dotąd w żadnym atlasie na świecie nie była tak konsekwentnie stosowana. Atlas Romera, na którym uczono się w szkołach polskich przez pół wieku, wywołał istotną rewolucję w dydaktyce geografii. „Z jego czysto poziomicowych map – pisał G. Wuttke (1963) – przemówiła konkretna, obfita i wyraźnie widoczna treść geograficzna. Dawała ona pole dla pracy myśli i wyobraźni”. A o takie umysłowe zaangażowanie naszego ucznia zależy nam przecież także i dziś, prawda?

Pod koniec niniejszej części opracowania wypada wreszcie wspomnieć o współczesnych kartograficznych metodach prezentacji rzeźby terenu. Dzisiejsza technika zmieniła sposoby zbierania informacji. Powszechnie wiadome jest, że do tworzenia map nie potrzeba już niezliczonej ilości pomiarów wykonywanych w terenie. Do tego celu wystarczą zdjęcia lotnicze i satelitarne uzupełnione o dane z systemów lokalizacji satelitarnej GPS (ang. global positioning system). Odbiornik satelitarny przechwytując sygnały z czterech (z ogólnej liczby – trzydziestu) satelitów, określa położenie dowolnego miejsca na Ziemi, podając jego szerokość i długość geograficzną oraz wysokość nad poziom morza. Rozbudowana wersja tego urządzenia, rejestrując wybrane cechy środowiska geograficznego, tworzy również bazę danych do wykonywania map cyfrowych. Między innymi stanowią one podstawę map poziomicowych, a te z kolei po dalszych obróbkach komputerowych służą do kreowania przestrzennych trójwymiarowych obrazów w postaci numerycznych modelów terenowych, dostępnych chociażby na licznych lokalizatorach internetowych (zał. VIII). Współczesne GIS’owskie oprogramowania komputerowe pozwalają na liczne kombinacje graficzne numerycznego modelu ukształtowania powierzchni dowolnego obszaru. Między innymi metody cyfrowe umożliwiają uzyskiwanie zacienionych obrazów perspektywicznych rzeźby terenu (zał. IXa, IXb). Efektem wykorzystania GIS-owych narzędzi w procesie tworzenia mapy jest także łączenie różnych kartograficznych metod przedstawiania rzeźby terenu (zał. X).

Na zakończenie, być może dla niektórych czytelników nieco przydługiego rozdziału, propozycja zadania dydaktycznego skierowana dla uczniów szkół gimnazjalnych (może i ponadgimnazjalnych?), np. chcących otrzymać ocenę celującą. Oto i polecenie: Na podstawie treści niniejszego rozdziału (zakładam, że nauczyciel przygotuje odbitki ksero) oraz materiałów zaczerpniętych z Internetu, wykonaj w sposób jak najbardziej atrakcyjny kalendarium najważniejszych wydarzeń z dziejów poziomicy w postaci linii czasu, zegara geograficznego lub kalendarza historycznego.

Natomiast dla studentów, chcących zapoznać się ze szczegółową historią map hipsometrycznych Polski, proponuję zajrzeć do opracowania autorstwa J. Ostrowskiego (1969), pod tytułem Mapy hipsometryczne Polski. Przegląd historyczno-bibliograficzny. INSTYTUTU GEOGRAFII POLSKIEJ AKADEMII NAUK. DOKUMENTACJA GEOGRAFICZNA zeszyt 1, Warszawa.
Polecam także intersującą publikację (obejmującą swoją treścią między innymi zagadnienie rzeźby terenu na mapie) pod red. A. Czernego (2015) Dawne mapy topograficzne w badaniach geograficzno-historycznych.
patrz: http://phavi.umcs.pl/at/attachments/2016/0708/103742-czerny-dawne-mapy-07-07-low-res.pdf