Você deseja usar projeções conformes para obter uma boa correspondência de formas. Para esse fim, não há quase nada melhor do que o Transverse Mercator para a primeira solução (unir linhas). Quase todos os SIGs vêm com um sistema completo de criação de 60 peças desse tipo: as zonas UTM. O UTM também oferece uma solução para a convergência de folhas finas nos pólos: inclui projeções azimutais polares, que você pode colar como duas tampas na parte superior e inferior do globo. Você pode adaptar esse método se desejar usar menos peças; por exemplo, use cada terceira zona UTM, expandindo 6 graus de cada lado, para obter uma solução de 20 peças (mais 2 tampas).
Sim, você pode usar poliedros. Eles nem precisam corresponder a sólidos regulares; eles podem ser tão irregulares quanto você quiser. O problema passa a ser a escolha do conjunto correto de pontos de base, o recorte dos polígonos e (se você deseja imprimir o modelo como uma imagem a ser dobrada e colada) orientando as projeções de maneira apropriada: o GIS precisa lidar com projeções oblíquas em total generalidade. Atualmente, poucos GIS fazem isso (o ArcGIS não faz, AFAIK).
Os vértices das dissecções poliédricas, em lat-lon, podem ser trabalhados geometricamente. Muitos estão disponíveis como conjuntos de dados. Provavelmente você pode encontrá-los em antigos arquivos SIGGRAPH. O Mathematica é distribuído com coordenadas (e conexões topológicas) para 195 poliedros, por exemplo. (As coordenadas são dadas algebricamente em coordenadas cartesianas, mas são prontamente avaliadas numericamente e projetadas radialmente em uma esfera concêntrica.) Por exemplo, aqui está o "MetabigiratoRombossidodecaedro" com seus vértices projetados em uma esfera:
e sua "imagem líquida:"
Quer suas coordenadas? Consulte Wolfram Alpha .