Kartografie Grundzüge

Hans Walser
Kartenprojektionen
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Inhalt
2.4 Kartennetzentwürfe.
Begriffe
3.1 Theorema egregium von
Gauß
4.1 Abbildung auf eine
Tangentialebene
4.2 Abbildung auf einen
Zylinder
5 Die Klassiker:
Abstandstreue Entwürfe
5.2 Abstandstreuer Azimutal-Entwurf
5.3 Abstandstreuer
Kegelentwurf
6.1 Projektion auf
Tangentialebene im Nordpol
6.2 Projektion auf
Tangentialebene in einem Äquatorpunkt
7 Flächentreue und
winkeltreue Karten
7.2 Flächentreuer
Zylinderentwurf
7.3 Winkeltreuer
Zylinderentwurf
9 Von der Plattkarte zur
Herzkarte
9.1 Die flächentreue Karte
von Mercator-Sanson
9.2 Die flächentreue
Herzkarte von Stab-Werner
10 Topologische
Netzkarten (Verkehrskarten)
Modul 4 für die Lehrveranstaltung Kartografie Grundzüge
Herbst 2018 Erstausgabe
Herbst 2019 Kleine
Ergänzungen
Herbst 2020 Ergänztes
Literaturverzeichnis
Herbst 2022 Ergänzungen.
Einbau von Animationen. Formatierung als html. Fehlerkorrekturen
last modified: 19. Mai 22
ETH Zürich
Institut für Kartografie und Geoinformation (IKG)
Stefano-Franscini-Platz 5
CH-8093 Zürich
Hans Walser
www.walser-h-m.ch/hans
Das TO-Schema (Radkarte) zeigt die damals bekannten drei Erdteile von einem Ozean (O) umgeben. Die Karte ist im wörtlichen Sinne orientiert (geostet), die Ost-Richtung zeigt nach oben.

TO-Schema aus einem Leipziger Kodex des 11. Jahrhunderts
Die Karte von Eratosthenes gibt den Mittelmeerraum gut erkennbar wieder. Interessant ist, dass Sri Lanka auf der „falschen“ Seite von Indien (Westseite statt Ostseite) eingezeichnet ist. Dieser Fehler findet sich auch in vielen späteren Karten.
Eratosthenes hat als erster den Erdumfang berechnet.

Karte des Eratosthenes (276 - 194 BC)
Die einfachste „Karte“ besteht wohl in einer Normalprojektion des Erdglobus. Diese Projektionsart wird auch als orthografische Projektion bezeichnet. Wir sehen bei der orthografischen Projektion immer nur den halben Globus.

Orthografische Projektionen
In den folgenden Überlegungen arbeiten wir, wenn nichts anderes vermerkt ist, mit der Einheitskugel, also der Kugel mit dem Radius Eins.
Der Nordpol hat die Koordinaten (0, 0, 1) und der Südpol (0, 0, –1). Der Äquator ist der Einheitskreis in der x,y-Ebene, der Null-Meridian liegt in der x,z-Ebene.
Das Netz der Meridiane und Breitenkreise ist in diesem Skript in der Regel mit einer Maschenweite von 15° gezeichnet.
Großkreise sind Kreise auf der Kugeloberfläche, welche denselben Radius wie die Kugel haben. Ihre Trägerebene geht durch den Kugelmittelpunkt. Großkreise spielen eine wichtige Rolle in der sphärischen Geometrie; sie übernehmen die Rolle der Geraden der ebenen Geometrie. Wenn wir auf einer Kugel immer „geradeaus“ fahren, bewegen wir uns auf einem Großkreis. Die kürzeste Verbindung zweier Punkte auf der Kugeloberfläche, gemessen auf der Kugeloberfläche (also nicht in einem geradlinigen Tunnel), ist ein Großkreisbogen.
Der
Äquator und alle Meridiane sind Großkreise, nicht aber die übrigen
Breitenkreise, welche so genannte Kleinkreise
sind. Es gibt aber auch „schräge“ Großkreise, welche den Äquator in einem
Winkel
schneiden. Die folgende
Abbildung zeigt drei solche schräge Großkreise, welche den Äquator unter
Winkeln α = 15°, α = 45° und α
= 75° schneiden, in einer allgemeinen Ansicht sowie in
einer speziellen Lage mit Sicht von vorne. In dieser speziellen Lage erscheinen
die Großkreise als Strecken. Wir werden in den verschiedenen Kartenprojektionen
sehen, wie diese Großkreise jeweils dargestellt werden.

Großkreise α = 15°, α = 45° und α = 75°
In der Kartografie wird der Ausdruck Entwurf für eine Darstellung der Kugel in der Ebene zu verwendet. Der Ausdruck weicht also ab von der umgangssprachlichen Verwendung im Sinne einer vorläufigen oder skizzenhaften Darstellung.
Man spricht von einem echten Entwurf, wenn die Meridiane auf Graden und die Breitenkreise auf Kreislinien oder gerade Linien abgebildet werden.
Werden zudem die Meridiane längentreu abgebildet, spricht man von einem abstandstreuen (equidistant) oder mittelstandstreuen Entwurf.
In einem orthogonalen Kartennetzentwurf schneiden sich die Bilder der Meridiane und Breitenkreise unter rechten Winkeln. Wir werden auch nicht orthogonale Kartennetzentwürfe kennen lernen.
Wir denken uns einen „kleinen“ Kreis auf der Erdoberfläche und bilden den mit ab. Im Bild entsteht in der Regel eine kleine Ellipse. Sie gibt Auskunft über die lokalen Verzerrungen bei dieser Abbildung. Die beiden Ellipsenachsen haben Richtung und Größe der größten und der kleinsten Verzerrung. Eine Verzerrungsellipse wird auch als Tissotsche Indikatrix bezeichnet.

Verzerrungsellipsen bei orthografischer Projektion
Bei der in der Figur dargestellten orthografischen Projektion haben wir in der Kartenmitte (0°E/45°N) keine Verzerrung, die Verzerrungsellipse ist ein Kreis. In den übrigen Punkten haben wir Verzerrungen, welche in der Nähe des Randes der Karte besonders ausgeprägt sind. Die kurze Halbachse hat die Richtung zur Kartenmitte (radiale Richtung), die lange Halbachse hat eine tangentiale Richtung. Die langen Halbachsen haben alle dieselbe Länge, wir haben bei der orthografischen Projektion nur eine Verkürzung in radialer Richtung.
Eine ideale Karte wäre eine maßstäbliche Karte, bei der alle Längen gegenüber der Wirklichkeit mit demselben Maßstab verkürzt wären.
Leider ist das wegen der Erdkrümmung nicht möglich.

Carl Friedrich Gauß, 1777-1855
Gauß hat gezeigt, dass eine isometrische (längentreue) Abbildung von einer Fläche auf eine andere genau dann möglich ist, wenn die beiden Flächen dieselbe Gaußsche Flächenkrümmung haben (Theorema egregium). Da die Erdkugel aber gekrümmt ist und die Kartenebene flach, gibt es eine isometrische Abbildung von der Erdkugel auf die Kartenebene.
Himmelsrichtungen können nicht aus der Karte abgelesen werden.

Himmelsrichtung Nord-Ost
Kürzeste Verbindungen können nicht aus der Karte abgelesen werden. Die direkte Verbindung auf der Karte ist länger als der blaue Großkreisbogen.

Kürzeste Verbindung
Sehr oft wird die Erdkugel zunächst nicht direkt auf die Ebene abgebildet, sondern auf eine Zylinder oder einen Kegel. Diese lassen sich dann in die Ebene abwickeln (was eine „Aufschneiden“ voraussetzt).
Die Kartenebene berührt die Erdkugel. In diesem Fall ist auch der Ausdruck Azimutalentwurf geläufig.
Sonderfall (normaler Entwurf): Berührung in einem der beiden Pole. Die Erdachse ist die Ebenennormale.
Der Zylinder berührt die Erdkugel in einem Großkreis.
Sonderfall(normaler Entwurf): Berührung längs des Äquators. Die Erdachse ist auch Zylinderachse.
Der Kegel berührt die Erdkugel in einem so genannten Kleinkreis.
Sonderfall(normaler Entwurf): Berührung längs einem Breitenkreis. Die Erdachse ist auch Kegelachse.
Bei abstandstreuen (oder mittelstandstreuen) Entwürfen werden die Meridiane längentreu übertragen.
Die Plattkarte ist schon fast nicht mehr lustig. Sie ist der abstandstreue normale Zylinderentwurf. Zusätzliche zu den Meridianen wird auch der Äquator längentreu übertragen.
Sämtliche Netzrechtecke werden auf Quadrate abgebildet, daher manchmal der Name quadratische Plattkarte. Die quadratische Plattkarte ist die Mutter aller Karten. Sie soll bereits auf die Phönizier zurückgehen.

Netz der quadratischen Plattkarte mit drei Großkreisbildern
Leider ist die Plattkarte weder flächentreu noch winkeltreu.
Wir erhalten den abstandstreuen Azimutal-Entwurf, indem wir auf der Tangentialebene vom Nordpol aus in jeder Richtung (das heißt zu jeder geografischen Länge) die Poldistanz geradlinig abtragen.

Abstandstreuer Azimutal-Entwurf

Andere Tangentialebene
Bei diesem Entwurf geht man vom Breitenkreis aus in welchem der Kegel die Kugel berührt. Dieser Breitenkreis wird natürlich eins zu eins auf den Kegelmantel übertragen. Dann trägt man nach „oben“ – auf der Kugel also nach Norden, auf dem Kegel gegen die Kegelspitze – die Meridianlänge tel quel ab. Daher der Name abstandtreuer Kegelentwurf. Es ist ebenfalls der Name mittelstandstreuer Kegelentwurf gebräuchlich.
Da aber auf der Kugel die Meridianlänge vom Berühr-Breitenkreis aus bis zum Nordpol kürzer ist als auf dem Kegel die Mantellinienlänge bis zum Kegelspitze, brauchen wir nur einen Teil des Kegels, also den Mantel eines Kegelstumpfes. Die beiden Pole werden je auf einen Kreis(bogen) abgebildet. Damit ist aber auch klar, dass die Breitenkreise – abgesehen vom Berührkreis – nicht längentreu übertragen werden.
Die
folgende Abbildung zeigt die Situation für einen Kegel, welcher den
Breitenkreis für
berührt.
Der/die Leser/in ist eingeladen, die „Häuschen“ (Netzvierecke) vom Berührkreis
aus nach oben und nach unten abzuzählen.

Abstandstreuer Kegelentwurf, Berührung im
Breitenkreis für ![]()
Den abgewickelten Kegelmantel mit den Bildern der Großkreise muss man noch umkehren, um die Situation nach unseren Konventionen „richtig“ zu sehen.
Abgewickelter Kegelmantel mit Großkreisen
Diese Art der Kartendarstellung soll auf Ptolemäus (87-165 n. Chr.) zurückgehen.
Eine gnomonische Projektion ist eine Zentralprojektion vom Kugelmittelpunkt aus auf eine Tangentialebene an die Kugel.
Bei der Projektion auf eine Tangentialebene der Kugel ergeben sich Vor- und Nachteile.
Der Vorteil ist, dass das Bild von Großkreisen als Gerade erscheint, nämlich als Schnittgerade der Kreisebene mit der Projektionsebene.
Der Nachteil ist, dass immer nur eine Halbkugel (ohne deren Rand) abgebildet werden kann.

Gnomonische Projektion

Nur eine Polkappe kann abgebildet werden

Gnomonische Polarprojektion

Gnomonische Projektion in einem Äquatorpunkt
Die Meridiane werden durch senkrechte Geraden abgebildet, die Breitenkreise auf Hyperbeln. Die Netzlinien schneiden sich im Allgemeinen nicht mehr unter rechten Winkeln.
Mit sechs Karten gemäß der gnomonischen Projektion können wir eine Würfelwelt basteln. Wir verwenden dieses Schnittmuster.
Vorgehen:

Quer falten und Streifen ausschneiden

Zum Flechten bei der Antarktis beginnen

Gnomonische Projektion
Die mathematische Grundidee wird am Beispiel von normalen Zylinderentwürfen besprochen.

Zylinderentwurf
Durch die Abwicklung des Zylinders erhalten wir eine Karte von der Breite 2π. Die geographische Länge λ wird isometrisch abgebildet.
Wenn wir in der Süd-Nord-Richtung die geographische Breite φ isometrisch abbilden, erhalten wir die abstandstreue Plattkarte, welche weder flächen- noch winkeltreu ist. Wir müssen also in der Süd-Nord-Richtung einen noch unbekannten Abstand u(φ) abtragen. Um die Funktion u(φ) zu bestimmen, vergleichen wir ein (infinitesimal kleines) Netzrechteck auf der Kugel mit dem entsprechenden Netzrechtreck auf der Karte.

Entsprechende Rechtecke auf Kugel und Karte
Auf der Kugel haben wir ein Rechteck der Länge cos(φ)dλ und der Höhe dφ . Das entsprechende Rechteck auf der Karte hat die Länge dλ und die vorerst unbekannte Höhe du.
Wenn nun die Karte flächentreu (equivalent) sein soll, müssen die beiden Rechtecke denselben Flächeninhalt haben, also:
![]()
Somit ist:

Aus der Normierung u(0) = 0 ergibt sich C = 0 und somit:
Wenn aber die Karte winkeltreu (conformal) sein soll, müssen die beiden Rechtecke dieselbe Form haben, also:

Somit ist (Integral aus der Formelsammlung, Kontrolle durch Ableiten):
Aus der Normierung u(0) = 0 ergibt sich wiederum C = 0 und somit:

Für einen flächentreuen Zylinderentwurf hatten wir oben die Bedingung
![]()
gefunden. Dies kann geometrisch sehr einfach realisiert werden. Wir legen einen Zylinder der Höhe 2 um die Kugel und projizieren waagerecht nach außen. Diese Idee geht auf Archimedes zurück. Lambert hat dann die differenzialgeometrischen Grundlagen dazu geliefert.

Geometrisches Vorgehen: Waagerecht nach außen projizieren

Flächentreue Karte nach Archimedes / Lambert. Verzerrungsellipsen
Wie wir aus den Verzerrungsellipsen erkennen, ist diese Karte genau am Äquator auch winkeltreu.
Wenn wir aber die Karte in Ost-West-Richtung zusammenpressen (oder, was auf dasselbe herauskommt, in Nord-Süd-Richtung auseinander ziehen) gibt es in der nördlichen und südlichen Hemisphäre je eine geografische Breite, bei der die Verzerrungsellipsen zu Kreisen werden, die Karte also winkeltreu wird.
Für den winkeltreuen Zylinderentwurf erhielten wir:
Der Funktionsgraph zeigt, dass wir bei:
(Südpol)
und bei
(Nordpol)
je einen Pol haben.

Vergleich mit der Tangenskurve
Wir erhalten die legendäre Mercatorkarte, die im Prinzip heute noch die wichtigste Karte ist (UTM-System, universale transversale Mercator-Karte). Die Karte geht „oben“ und „unten“ ins Unendliche. Wir können die Polkappen nicht abbilden. Leider gibt es auch keinen elementargeometrischen Weg zur Konstruktion dieser Karte.

Mercator-Karte für φ ϵ [–75°, 75°]
Da die Mercator-Karte lokal ähnlich zur Kugeloberfläche ist, sind die Verzerrungsellipsen Kreise, allerdings unterschiedlicher Größe.
Wie fahren wir, wenn wir in einem Schiff mit konstantem Kurs fahren (Autopilot mit Kreiselkompass)? Der Winkel zu den Meridianen ist also immer derselbe. In einer Mercator-Karte erscheint diese Kurve daher als Gerade. Solche Kurven heißen Loxodromen („Schräglaufende“). Die Abbildung zeigt eine Loxodrome für einen Kurs von 80°.

Loxodrome. Kurs 80°

Loxodromentreppe
Die Loxodromen winden sich spiralförmig um die Pole. In der Umgebung der Pole sind es approximativ logarithmische Spiralen. Bei einer stereografischen Projektion (Zentralprojektion) von einem der beiden Pole auf die Tangentialebene im anderen Pol ergibt sich exakt eine logarithmische Spirale.
Loxodromen sind keine Großkreise und daher auch nicht kürzeste Verbindungen. Für Kurse in der Nähe von ±90° weichen sie aber nicht stark von den Großkreisbögen ab. Aus praktischen Gründen werden daher in See- und Luftfahrt Loxodromen verwendet.
Unsere bisherigen Karten orientierten sich fast alle an der Erde als Rotationskörper. Die Erdachse war auch kartografisch normierend; dazu kam der Äquator oder ein spezieller Breitenkreis, an welchem sich die Karte zusätzlich anlehnte. Diese spezielle Anordnung ist für praktische Zwecke nicht immer optimal. Oft besteht der Wunsch, ein bestimmtes Gebiet „im Auge“ zu haben. Wünschbar ist dann, dass in diesem Gebiet die Verzerrungen möglichst klein sind.
Wir erreichten dies durch allgemeinere Kartendispositionen.
UTM steht
für Universal Transverse Mercator.
Es handelt sich um ein System von querachsigen Mercator-Karten, das 1947 von
den US-Streitkräften eingeführt wurde und heute weltweit zum Standard gehört.

Querachsige Mercator-Karte
Wir legen einen Zylinder um die Erdkugel, dessen Achse in der Äquatorebene liegt. Der Zylinder berührt also die Erdkugel längs eines Meridians und dessen Gegenmeridians. Die Achse definiert sozusagen einen „Ostpol“ und einen „Westpol“. Nun wird auf dieses so definierte System umgerechnet und anschließend die entsprechende Mercator-Karte gezeichnet. Die ursprünglichen Meridiane und Breitenkreise erscheinen jetzt nicht mehr als Geraden. Ausnahmen sind lediglich der Äquator und die beiden Meridiane in der Achsenebene des querachsigen Zylinders.

Segmente
Die Karten sind winkeltreu. In der Nähe der Berührmeridiane sind sie auch annähernd längentreu. Daher verwendet man nur kleine Segmente in der Nähe der Berührmeridiane. In der Abbildung sind zwei 30°-Segmente eingezeichnet, tatsächlich werden aber nur 6°-Segmente verwendet. Das heißt, dass insgesamt mit 30 Zylindern gearbeitet werden muss, die um je 6° verdreht sind.

Verdrehen der querachsigen Zylinder
Die folgende Abbildung zeigt die analoge Situation mit nur 6 Zylindern. Die Schnittfigur zeigt die Orangenschnitze.

Sechs Zylinder
Die Schweiz verwendet eine schiefachsige Mercator-Karte. Der Berührkreis des zugehörigen Zylinders verläuft in West-Ost-Richtung durch die alte Sternwarte Wabern bei Bern. Dies ist insofern sinnvoll, weil das Kartenbild in der Nähe des Berührkreises dann nicht nur winkeltreu, sondern näherungsweise auch längentreu ist.
Schiefachsige Mercator-Projektion

Sonderfall Schweiz
Die Globalisierung der Karte sieht allerdings etwas eigenartig aus.
Die Idee ist, von der Plattkarte ausgehend die zu großen Maßstäbe in der West-Ost-Richtung durch Einbrutzeln zu kompensieren. An den Polen wird sogar auf einen Punkte eingebrutzelt.
Die
Meridiane werden zu Sinuskurven verbogen. Die äußersten Sinuskurven haben die
Amplitude
. Diese Karte wird daher auch als sinusoidale Projektion bezeichnet.

Einbrutzeln an den Polen. Karte von Mercator-Sanson
So entsteht eine flächentreue Karte, die auf Mercator zurückgeht und von Sanson (Nicolas Sanson 1600-1667) popularisiert wurde.
Im Schulunterricht wir der Flächeninhalt eines
Kreises bei bekanntem Kreisumfang
gemäß der
folgenden Abbildung hergeleitet.

Kreis und Kreisfläche
Wir denken uns einen Kreis aus 2d-Zwiebelschalen
und schneiden von oben her bis in die Mitte ein. Dann fallen die Schalen
auseinander und bilden ein flächengleiches gleichschenkliges Dreieck mit der
Grundlinie
und der Höhe r. Daraus ergibt sich der Flächeninhalt r2π.
Die Schenkel des Dreiecks haben gegenüber der Vertikalen eine Steigung π. Wir können also die Mercator-Sanson-Karte bündig einpassen.

Einpassen der Mercator-Sanson-Karte
Nun machen wir den Prozess wieder rückwärts und erhalten in der Kreisscheibe eine neue Karte. Diese ist herzförmig und ebenfalls flächentreu.
Flächentreue Karte von Stab-Werner (Herzkarte)
Wenn wir das Dreieck oben etwas vergrößern, ergibt sich eine Karte von Bonne.

Karte von Bonne
Die Karten von Stab-Werner, Bonne und Mercator-Sanson lassen sich ein eine einparametrige Schar einfügen.

Kartenschar
Die Dufour-Karte der Schweiz (1845-1865) ist eine Karte von Bonne.

Dufour-Karte der Schweiz (1845-1865)
Bei einer topologischen Netzkarte (Verkehrsnetz, Liniennetz) sind Anordnung und Vernetzung der Stationen und insbesondere der Umsteigestationen relevant. Die Geometrie des Liniennetzes, also Längen, Himmelsrichtungen, Krümmungen) sind irrelevant. Grafisch hat sich eingebürgert, die Linien waagrecht, senkrecht und in Winkeln von 45° dazu zu zeichnen.

Liniennetzplan
Die sogenannte Tabula peutingeriana ist eine Kopie einer römischen Straßennetzkarte aus dem vierten Jahrhundert. Die rotbraunen Linien stellen die Straßen dar.

Tabula peutingeriana (Ausschnitt mit Bodensee)
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Grommes, Wieland (2009): Vermessungen, Vermessenheiten. Kartografische
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Tabula peutingeriana (18.05.2022)
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http://www.walser-h-m.ch/hans/Miniaturen/W/Wuerfelwelten/Wuerfelwelten.pdf
http://www.walser-h-m.ch/hans/Vorlesungen/22hs/Karto/Wuerfelwelt.pdf