Геодезические данные
Геодезия |
---|
![]() |
Геодезическая база данных или геодезическая система (также: геодезическая система отсчета , геодезическая система отсчета или геодезическая система отсчета ) — это глобальная система отсчета или система отсчета, предназначенная для точного представления положения мест на Земле или других планетарных тел посредством геодезических координат . [1] Дата [примечание 1] имеют решающее значение для любой технологии или метода, основанного на пространственном местоположении, включая геодезию , навигацию , геодезию , географические информационные системы , дистанционное зондирование и картографию . Горизонтальная база данных используется для измерения местоположения на широте поверхности Земли по и долготе или в другой системе координат; вертикальная база данных используется для измерения высоты или глубины относительно стандартного источника, например среднего уровня моря (MSL). С момента появления глобальной системы позиционирования (GPS) эллипсоид и система координат WGS 84, которые она использует, вытеснили большинство других во многих приложениях. WGS 84 предназначен для глобального использования, в отличие от большинства более ранних систем координат.
До появления GPS не было точного способа измерения положения места, которое было далеко от универсальных контрольных точек, таких как нулевой меридиан в Гринвичской обсерватории для определения долготы, от экватора для определения широты или от ближайшего побережья для определения уровня моря. . Астрономические и хронологические методы имеют ограниченную точность и достоверность, особенно на больших расстояниях. Даже GPS требует заранее определенной структуры, на которой будут основываться его измерения, поэтому WGS 84 по существу функционирует как точка отсчета, даже несмотря на то, что в некоторых деталях она отличается от традиционной стандартной горизонтальной или вертикальной точки отсчета.
Стандартная спецификация датума (горизонтального или вертикального) состоит из нескольких частей: модели формы и размеров Земли, например, эталонного эллипсоида или геоида ; , начало координат в котором эллипсоид/геоид привязан к известному (часто установленному) местоположению на Земле или внутри нее (не обязательно на 0 широте и 0 долготе); и множество контрольных точек , которые были точно измерены от начала координат и отмечены памятниками. Затем координаты других мест измеряются от ближайшей контрольной точки путем геодезии . Поскольку эллипсоид или геоид различаются в зависимости от базы данных, а также их начало координат и ориентацию в пространстве, взаимосвязь между координатами, относящимися к одной базе данных, и координатами, относящимися к другой базе данных, не определена и может быть только приближенно. При использовании местных систем отсчета разница на местности между точками, имеющими одинаковые горизонтальные координаты в двух разных системах отсчета, может достигать километров, если точка находится далеко от начала одной или обеих систем отсчета. Это явление называется сдвиг даты .
Поскольку Земля представляет собой несовершенный эллипсоид, местные данные могут дать более точное представление о некоторой конкретной зоне покрытия, чем WGS 84. OSGB36 , например, является лучшим приближением к геоиду, покрывающему Британские острова, чем глобальный эллипсоид WGS 84. [2] Однако, поскольку преимущества глобальной системы перевешивают большую точность, глобальная система координат WGS 84 получила широкое распространение. [3]

История
[ редактировать ]
Сферическая природа Земли была известна древним грекам, которые также разработали понятия широты и долготы и первые астрономические методы их измерения. Этих методов, сохраненных и получивших дальнейшее развитие мусульманскими и индийскими астрономами, оказалось достаточно для глобальных исследований 15 и 16 веков.
Однако научные достижения эпохи Просвещения привели к признанию ошибок в этих измерениях и к требованию большей точности. Это привело к технологическим инновациям, таким как морской хронометр 1735 года Джона Харрисона , а также к переосмыслению основных предположений о форме самой Земли. Исаак Ньютон постулировал, что сохранение импульса Земли должно привести к сжатию (шире на экваторе), в то время как ранние исследования Жака Кассини (1720 г.) привели его к мысли, что Земля вытянута (шире у полюсов). Последующие французские геодезические миссии (1735-1739) в Лапландию и Перу подтвердили теорию Ньютона, но также обнаружили изменения в гравитации, которые в конечном итоге привели к созданию модели геоида .
Современным развитием стало использование тригонометрической съемки для точного измерения расстояния и местоположения на больших расстояниях. Начиная с съемок Жака Кассини (1718 г.) и Англо-французской съемки (1784–1790 гг.) , к концу XVIII века сети управления съемками охватывали Францию и Соединенное Королевство . Более амбициозные начинания, такие как Геодезическая дуга Струве по Восточной Европе (1816–1855) и Великая тригонометрическая съемка Индии (1802–1871), заняли гораздо больше времени, но привели к более точным оценкам формы земного эллипсоида . Первая триангуляция через Соединенные Штаты не была завершена до 1899 года.
В результате исследования в США были получены североамериканские датумы (горизонтальные) 1927 года (NAD27) и вертикальные датумы 1929 года (NAVD29), первые стандартные датумы, доступные для публичного использования. За этим последовал выпуск национальных и региональных данных в течение следующих нескольких десятилетий. Улучшение измерений, в том числе использование первых спутников , позволило получить более точные данные в конце 20-го века, такие как NAD83 в Северной Америке, ETRS89 в Европе и GDA94 в Австралии. В это время были также впервые разработаны глобальные системы координат для использования в спутниковых навигационных системах, особенно в Мировой геодезической системе (WGS 84), используемой в глобальной системе позиционирования США (GPS), и в Международной наземной системе отсчета и системе координат (ITRF), используемой в Европейская система Галилео .
Размеры
[ редактировать ]Горизонтальная база данных
[ редактировать ]Горизонтальная база данных — это модель, используемая для точного измерения положения на Земле; таким образом, это важнейший компонент любой пространственной системы отсчета или картографической проекции . Горизонтальная база данных привязывает указанный опорный эллипсоид , математическую модель формы Земли, к физической Земле. Таким образом, географическую систему координат на этом эллипсоиде можно использовать для измерения широты и долготы реальных мест. Региональные горизонтальные датумы, такие как NAD27 и NAD83 , обычно создают эту привязку с рядом физически установленных геодезических контрольных точек с известным местоположением. Глобальные датумы, такие как WGS84 и ITRF , обычно привязаны к центру масс Земли (что делает их полезными для отслеживания спутниковых орбит и, следовательно, для использования в спутниковых навигационных системах).
Конкретная точка может иметь существенно разные координаты, в зависимости от исходной точки, использованной для измерения. Например, координаты NAD83 могут отличаться от NAD27 на несколько сотен футов. По всему миру существуют сотни локальных горизонтальных датумов, обычно привязанных к какой-то удобной местной контрольной точке. Современные данные, основанные на все более точных измерениях формы Земли, предназначены для покрытия больших территорий. Система координат WGS 84 , которая почти идентична системе координат NAD83 , используемой в Северной Америке, и системе координат ETRS89, используемой в Европе, является общепринятой стандартной системой координат. [ нужна ссылка ]
Вертикальная база данных
[ редактировать ]Вертикальная база данных — это опорная поверхность для вертикальных положений , таких как высоты объектов Земли, включая рельеф , батиметрию , уровень воды и искусственные сооружения.
Приблизительным определением уровня моря является датум WGS 84 , эллипсоид , тогда как более точное определение — Модель гравитации Земли 2008 (EGM2008), использующая не менее 2159 сферических гармоник . Другие датумы определены для других областей или в другое время; ED50 был определен в 1950 году в Европе и отличается от WGS 84 на несколько сотен метров в зависимости от того, в какой точке Европы вы смотрите. На Марсе нет океанов как минимум две марсианские датумы и, следовательно, нет уровня моря, но для определения местонахождения там использовались .
Геодезические координаты
[ редактировать ]
В геодезических координатах поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом , а местоположения вблизи поверхности описываются с точки зрения геодезической широты ( ), долгота ( ) и эллипсоидальную высоту ( ). [примечание 2]
Земной эллипсоид
[ редактировать ]Определение и производные параметры
[ редактировать ]Эллипсоид полностью параметризован большой полуосью. и сплющивание .
Параметр | Символ |
---|---|
Большая полуось | |
Обратная сторона сплющивания |
От и можно вывести малую полуось , первый эксцентриситет и второй эксцентриситет эллипсоида
Параметр | Ценить |
---|---|
Полумалая ось | |
Первый эксцентриситет в квадрате | |
Второй эксцентриситет в квадрате |
Параметры некоторых геодезических систем
[ редактировать ]Два основных опорных эллипсоида, используемых во всем мире, — это GRS80. [4] и WGS 84. [5]
Более полный список геодезических систем можно найти здесь .
Геодезическая справочная система 1980 года (GRS80)
[ редактировать ]Параметр | Обозначения | Ценить |
---|---|---|
Большая полуось | 6 378 137 м | |
Обратная сторона сплющивания | 298.257 222 101 |
Мировая геодезическая система 1984 г. (WGS 84)
[ редактировать ]Глобальная система позиционирования (GPS) использует Всемирную геодезическую систему 1984 года (WGS 84) для определения местоположения точки вблизи поверхности Земли.
Параметр | Обозначения | Ценить |
---|---|---|
Большая полуось | 6 378 137,0 м | |
Обратная сторона сплющивания | 298.257 223 563 |
Постоянный | Обозначения | Ценить |
---|---|---|
Полумалая ось | 6 356 752 , 3142 м | |
Первый эксцентриситет в квадрате | 6.694 379 990 14 × 10 −3 | |
Второй эксцентриситет в квадрате | 6.739 496 742 28 × 10 −3 |
Преобразование даты
[ редактировать ]Разницу в координатах между датумами обычно называют сдвигом датумов . Сдвиг датума между двумя конкретными датумами может варьироваться от одного места к другому в пределах одной страны или региона и может составлять от нуля до сотен метров (или нескольких километров для некоторых отдаленных островов). Северный полюс , Южный полюс и экватор будут находиться в разных положениях на разных датумах, поэтому истинный север будет немного отличаться. В разных датумах используются разные интерполяции для определения точной формы и размера Земли ( опорные эллипсоиды ). Например, в Сиднее существует разница в 200 метров (700 футов) между координатами GPS, настроенными в GDA (на основе глобального стандарта WGS 84) и AGD (используется для большинства местных карт), что является неприемлемо большой ошибкой для некоторых приложений, таких как в качестве геодезической съемки или места для подводного плавания . [6]
Преобразование датумов — это процесс преобразования координат точки из одной системы датумов в другую. Поскольку сети съемок, на которых традиционно основывались данные, нерегулярны, а ошибка в ранних съемках распределялась неравномерно, преобразование данных не может быть выполнено с использованием простой параметрической функции. Например, преобразование из NAD27 в NAD83 выполняется с использованием NADCON (позже улучшенного как HARN), растровой сетки, охватывающей Северную Америку, где значение каждой ячейки представляет собой среднее расстояние корректировки для этой области по широте и долготе. Преобразование датумов часто может сопровождаться изменением картографической проекции .
Обсуждение и примеры
[ редактировать ]Геодезическая исходная база — это известная и постоянная поверхность, которая используется для описания местоположения неизвестных точек на Земле. Поскольку исходные данные могут иметь разные радиусы и разные центральные точки, конкретная точка на Земле может иметь существенно разные координаты в зависимости от исходной точки, использованной для измерения. По всему миру существуют сотни местных базовых данных, обычно привязанных к какой-либо удобной местной контрольной точке. Современные данные, основанные на все более точных измерениях формы Земли, предназначены для покрытия больших территорий. Наиболее распространенными базовыми датумами, используемыми в Северной Америке, являются NAD27, NAD83 и WGS 84 .
Североамериканский датум 1927 года (NAD 27) — это «горизонтальный контрольный датум для Соединенных Штатов, который определялся местоположением и азимутом на сфероиде Кларка 1866 года с началом в (наблюдательной станции) Мидс-Ранч (Канзас) ». ... Высота геоида на ранчо Мидс предполагалась равной нулю, поскольку не было достаточных гравитационных данных, а это было необходимо для связи измерений поверхности с исходными данными. «Геодезические позиции на североамериканской системе координат 1927 года были получены на основе (координат и азимута на ранчо Мидс) посредством корректировки триангуляции всей сети, в которую были введены азимуты Лапласа и использовался метод Боуи». ( http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum ) NAD27 — это локальная система ссылок, охватывающая Северную Америку.
Североамериканский датум 1983 года (NAD 83) — это «горизонтальный контрольный датум для Соединенных Штатов, Канады, Мексики и Центральной Америки, основанный на геоцентрическом происхождении и геодезической базовой системе 1980 года ( GRS80 ).» NAD 83 ...основана на корректировке 250 000 точек, включая 600 спутниковых доплеровских станций, которые ограничивают систему геоцентрическим происхождением». NAD83 можно рассматривать как локальную систему отсчета.
WGS 84 — это Всемирная геодезическая система 1984 года. Это система отсчета, используемая Министерством обороны США (DoD) и определяемая Национальным агентством геопространственной разведки (NGA) (ранее Агентство оборонных картографических исследований, затем Национальное агентство изображений и изображений). Картографическое агентство). WGS 84 используется Министерством обороны для всех своих картографических, картографических, геодезических и навигационных нужд, включая GPS «трансляцию» и «точные» орбиты. WGS 84 был определен в январе 1987 года с использованием методов доплеровской спутниковой съемки. Она использовалась в качестве системы отсчета для трансляции эфемерид (орбит) GPS, начиная с 23 января 1987 года. В 00:00 по Гринвичу 2 января 1994 года точность WGS 84 была повышена с использованием измерений GPS. Затем официальное название стало WGS 84 (G730), поскольку дата обновления совпала с началом 730-й недели GPS. Она стала системой отсчета для широковещательных орбит 28 июня 1994 года. В 00:00 по Гринвичу 30 сентября 1996 года (начало GPS-недели). Неделя 873), WGS 84 была снова пересмотрена и стала более тесно связана с Международной службой вращения Земли. (IERS) кадр ITRF 94. Тогда он формально назывался WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) была принята в качестве системы отсчета для широковещательных орбит 29 января 1997 года. [7] Еще одно обновление привело его к WGS 84 (G1674).
Система координат WGS 84, находящаяся в пределах двух метров от системы координат NAD83, используемой в Северной Америке, является единственной действующей сегодня мировой системой координат. WGS 84 — это стандартная система координат по умолчанию для координат, хранящихся в развлекательных и коммерческих устройствах GPS.
Пользователей GPS предупреждают, что они всегда должны проверять датум карт, которые они используют. Чтобы правильно ввести, отобразить и сохранить координаты карты, связанные с картой, датум карты необходимо ввести в поле датума карты GPS.
Примеры
[ редактировать ]Примеры картографических данных:
- WGS 84 , 72, 66 и 60 Всемирной геодезической системы.
- NAD83 , североамериканский датум , очень похожий на WGS 84.
- NAD27 , более старый североамериканский датум , для которого NAD83 был, по сути, корректировкой [1]
- OSGB36 Артиллерийского управления Великобритании
- ETRS89 , европейские данные, относящиеся к ITRS.
- ED50 , более старый европейский датум.
- GDA94 , австралийская система координат. [8]
- JGD2011 , японские датумы, скорректированные с учетом изменений, вызванных землетрясением и цунами Тохоку 2011 года. [9]
- Tokyo97 , старая японская система координат. [10]
- KGD2002 , корейская система координат. [11]
- TWD67 и TWD97 — разные датумы, используемые в настоящее время на Тайване. [12]
- BJS54 и XAS80 , старые геодезические данные, используемые в Китае. [13]
- GCJ-02 и BD-09 , китайские зашифрованные геодезические данные.
- ПЗ-90.11 — действующий геодезический справочник ГЛОНАСС. [14]
- GTRF , геодезическая ссылка, используемая Галилеем ; в настоящее время определяется как ITRF2005 [15]
- CGCS2000 или CGS-2000 — геодезическая ссылка, используемая навигационной спутниковой системой BeiDou ; на основе ITRF97 [15] [16] [17]
- Международные наземные системы отсчета (ITRF88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 97, 2000, 2005, 2008, 2014), различные реализации ITRS . [18] [19]
- Основная база данных Гонконга — вертикальная база данных, используемая в Гонконге. [20] [21]
- SAD69 — южноамериканский датум, 1969 г.
Движение плит
[ редактировать ]Земли Тектонические плиты движутся относительно друг друга в разных направлениях со скоростью порядка 50–100 мм (2,0–3,9 дюйма) в год. [22] Поэтому места на разных пластинах движутся относительно друг друга. Например, разница в долготе между точкой на экваторе в Уганде, на Африканской плите , и точкой на экваторе в Эквадоре, на Южно-Американской плите , увеличивается примерно на 0,0014 угловых секунд в год. [ нужна ссылка ] Эти тектонические движения также влияют на широту.
Если используется глобальная система отсчета (например, WGS84 ), координаты места на поверхности обычно меняются из года в год. Большинство картографий, например, внутри одной страны, не охватывают территории. Чтобы свести к минимуму изменения координат в этом случае, можно использовать другую систему отсчета, координаты которой привязаны к этой конкретной пластине. Примерами этих систем отсчета являются « NAD83 » для Северной Америки и « ETRS89 » для Европы.
См. также
[ редактировать ]- Соглашения об осях
- ЕСЭФ
- ЭКИ (координаты)
- Инженерная база данных
- Фигура Земли
- Преобразование географических координат
- Ссылка на сетку
- Международная наземная справочная система
- Нулевой километр
- Координаты местной касательной плоскости
- Данные о боеприпасах
- Веха
- Планетарная система координат
- Система отсчета
- Мировая геодезическая система
Сноски
[ редактировать ]- ^ В данном случае множественное число не является «данными».
- ^ О правостороннем/левостороннем порядке координат, т. е. или , см. Сферическая система координат#Условные обозначения .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дженсен, Джон Р.; Дженсен, Райан Р. (2013). Вводные географические информационные системы . Пирсон. п. 25.
- ^ «Геоид — Помогите» . ArcGIS для рабочего стола . Архивировано из оригинала 02 февраля 2017 г. Проверено 23 января 2017 г.
- ^ «Датумы — Помощь» . ArcGIS для рабочего стола . Архивировано из оригинала 02 февраля 2017 г. Проверено 23 января 2017 г.
- ^ «Техническое руководство по геоцентрическим данным Австралии» (PDF) . Межправительственный комитет по геодезии и картографии . 2 декабря 2014 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2018 г. Проверено 20 февраля 2017 г.
- ^ «NGA: Всемирная геодезическая система Министерства обороны США, 1984 г.» . Архивировано из оригинала 4 июля 2017 г. Проверено 1 марта 2007 г.
- ^ Макфадьен. «GPS – объяснение того, как это работает» . Веб-сайт Майкла Макфадьена по подводному плаванию с аквалангом . Архивировано из оригинала 19 августа 2006 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы» . Национальная геодезическая служба . Архивировано из оригинала 19 октября 2011 г.
- ^ Крэйвен, Алекс. «GDA94: Часто задаваемые вопросы» . Геопроектные решения . Архивировано из оригинала 15 августа 2016 г.
- ^ «Что такое Японская геодезическая система 2011 (JGD2011)? - Клуб пространственной информации» . club.informatix.co.jp . Архивировано из оригинала 20 августа 2016 г.
- ^ координат TKY2JGD | Управление геопространственной информации Японии» www.gsi.go.jp. Архивировано «Программное обеспечение для преобразования из оригинала 05.11.2017.
- ^ Ян, Х.; Ли, Ю.; Чой, Ю.; Квон, Дж.; Ли, Х.; Чон, К. (2007). «Переход корейской системы координат в мировую геодезическую систему». Тезисы весеннего собрания АГУ . 2007 : G33B–03. Бибкод : 2007AGUSM.G33B..03Y .
- ^ Тайваньская карта Dreamer-SunRiver «Интерпретация геодезической системы координат и зональных координат второй степени — культура Шанхэ» из Архивировано . оригинала 20 августа 2016 г.
- ^ Анализ метода преобразования и объединение карт из результатов съемки и картографии BJS54 XA80 в CGCS2000. Архивировано 18 сентября 2016 г. на Wayback Machine.
- ^ «Осуществлен переход на использование земной геоцентрической системы координат «Параметры Земли 1990» (ПЗ-90.11) при работе ГЛОБальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС)» . www.glonass-iac.ru . Архивировано из оригинала 7 сентября 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Использование международных стандартов для операций и приложений GNSS» (PDF) . unoosa.org . Архивировано (PDF) из оригинала 22 декабря 2017 г.
- ^ Справочник по спутниковым орбитам: от Кеплера до GPS, таблица 14.2.
- ^ Сигнал навигационной спутниковой системы BeiDou в документе управления интерфейсом космического интерфейса, сигнал открытой службы (версия 2.0). Архивировано 8 июля 2016 г. в Wayback Machine. разделе 3.2
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 26 января 2017 г. Проверено 19 августа 2016 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Общие понятия» . itrf.ensg.ign.fr. Архивировано из оригинала 4 декабря 2008 г.
- ^ «Вертикальная система отсчета, используемая в Китае – Гонконге – на суше» . Архивировано из оригинала 13 ноября 2012 г.
- ^ «Пояснительные записки к геодезическим данным в Гонконге» (PDF) . geodetic.gov.hk . Архивировано из оригинала (PDF) 9 ноября 2016 г. Проверено 19 августа 2016 г.
- ^ Прочтите HH, Уотсон Джанет (1975). Введение в геологию . Нью-Йорк: Холстед. стр. 13–15.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Список геодезических параметров для многих систем Университета Колорадо.
- Гапошкин Е.М. и Колачек, Барбара (1981) Справочные системы координат для динамики Земли Тейлор и Фрэнсис ISBN 9789027712608
- Каплан, Понимание GPS: принципы и приложения , 1 изд. Норвуд, Массачусетс 02062, США: Artech House, Inc, 1996.
- GPS-примечания
- П. Мисра и П. Энге, Сигналы, измерения и производительность глобальной системы позиционирования . Линкольн, Массачусетс: Ganga-Jamuna Press, 2001.
- Питер Х. Дана: Обзор геодезических данных — большой объем технической информации и обсуждений.
- Национальная геодезическая служба США
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- GeographicLib включает в себя утилиту CartConvert, которая преобразует геодезические и геоцентрические ( ECEF ) или локальные декартовы (ENU) координаты. Это обеспечивает точные результаты для всех входных данных, включая точки, близкие к центру Земли.
- Коллекция геодезических функций, решающих разнообразные задачи геодезии в Matlab .
- Часто задаваемые вопросы NGS — Что такое геодезическая база данных?
- О поверхности Земли на kartoweb.itc.nl