Географическое расстояние
Геодезия |
---|
Географическое расстояние или геодезическое расстояние — это расстояние , измеренное по поверхности Земли , или кратчайшая длина дуги.
Формулы в этой статье рассчитывают расстояния между точками, которые определяются географическими координатами в терминах широты и долготы . Это расстояние является элементом решения второй (обратной) геодезической задачи .
Введение
[ редактировать ]Вычисление расстояния между географическими координатами основано на некотором уровне абстракции; он не дает точного расстояния, которое недостижимо, если попытаться объяснить каждую неровность поверхности Земли. [1] Общие абстракции для поверхности между двумя географическими точками:
- Плоская поверхность;
- Сферическая поверхность;
- Эллипсоидальная поверхность.
Все приведенные выше абстракции игнорируют изменения высоты. Расчет расстояний, учитывающих изменения высоты относительно идеализированной поверхности, в этой статье не обсуждается.
Классификация формул на основе аппроксимации
[ редактировать ]- Аппроксимации на основе туннельного расстояния: плоская поверхность, средняя широта Гаусса;
- Приближение 0-го порядка: Сферическая поверхность;
- аппроксимации высшего порядка на основе эллипсоида: : Андуайе (1932); Андуайе-Ламберт (1942), : Андуайе-Ламберт-Томас (1970), : Винсенти (1975), : Кейни (2011); в полушарии
Теоретические оценки погрешности добавлены выше и это сплющивание Земли.
Номенклатура
[ редактировать ]Расстояние дуги, — минимальное расстояние по поверхности сферы/эллипсоида, рассчитанное между двумя точками, и . Принимая во внимание, что расстояние туннеля или длина хорды , измеряется вдоль декартовой прямой. Географические координаты двух точек в виде пар (широта, долгота) равны и соответственно. Какая из двух точек обозначена как не имеет значения для расчета расстояния.
Широта и долгота координаты на картах обычно выражаются в градусах . В приведенных ниже формах формул одно или несколько значений должны быть выражены в указанных единицах для получения правильного результата. Если в качестве аргумента тригонометрической функции используются географические координаты, значения могут быть выражены в любых угловых единицах, совместимых с методом, используемым для определения значения тригонометрической функции. Многие электронные калькуляторы позволяют вычислять тригонометрические функции как в градусах, так и в радианах . Режим калькулятора должен быть совместим с единицами измерения геометрических координат.
Различия в широте и долготе обозначаются и рассчитываются следующим образом:
Не важно, будет ли результат положительным или отрицательным при использовании в формулах ниже.
«Средняя широта» обозначается и рассчитывается следующим образом:
Если не указано иное, радиус Земли для приведенных ниже расчетов составляет:
- = 6 371,009 километра = 3 958,761 статутной мили = 3 440,069 морских миль .
= Расстояние между двумя точками, измеренное вдоль поверхности Земли и в тех же единицах, что и значение, используемое для радиуса, если не указано иное.
Особенности и разрыв широты/долготы
[ редактировать ]Аппроксимация синусоидальных функций , появляющийся в некоторых формулах для плоской поверхности ниже, может вызвать сингулярность и разрыв. Это также может ухудшить точность в случае более высокой широты.
Долгота имеет особенности на полюсах (долгота не определена) и разрыв на меридиане ± 180° . Кроме того, плоские проекции кругов постоянной широты сильно изогнуты вблизи полюсов. Следовательно, приведенные выше уравнения для дельты широты/долготы ( , ) и среднюю широту ( ) может не дать ожидаемого ответа для положений вблизи полюсов или меридиана ±180°. Рассмотрим, например, значение («смещение на восток»), когда и находятся по обе стороны от меридиана ±180° или значения («средняя широта») для двух позиций ( =89°, =45°) и ( =89°, =−135°).
Если расчет, основанный на широте/долготе, должен быть действительным для всех положений Земли, необходимо убедиться, что разрыв и полюса обрабатываются правильно. Другое решение — использовать n -вектор вместо широты/долготы, поскольку это представление не имеет разрывов или сингулярностей.
Формулы аппроксимации плоской поверхности на малых расстояниях
[ редактировать ]Плоское приближение поверхности Земли может быть полезно на небольших расстояниях. Он аппроксимирует длину дуги, , к расстоянию туннеля, или пропускает преобразование между длинами дуги и хорды, показанное ниже.
Кратчайшее расстояние между двумя точками на плоскости — это декартова прямая. Теорема Пифагора используется для расчета расстояния между точками на плоскости.
Даже на коротких расстояниях точность вычислений географических расстояний, предполагающих плоскую Землю, зависит от метода, с помощью которого координаты широты и долготы были спроецированы на плоскость. Проекция координат широты и долготы на плоскость — это область картографии .
Формулы, представленные в этом разделе, имеют разную степень точности.
Формулы сферической Земли
[ редактировать ]Эта формула учитывает изменение расстояния между меридианами в зависимости от широты:
В случае средней или низкой широты
[ редактировать ]Кроме того, вышеизложенное упрощается путем аппроксимации синусоидальных функций , оправдано, за исключением высоких широт:
- .
Это приближение очень быстрое и дает довольно точный результат на небольших расстояниях. [ нужна ссылка ] . Кроме того, при упорядочивании местоположений по расстоянию, например, в запросе к базе данных, упорядочивание по квадрату расстояния происходит быстрее, что устраняет необходимость вычисления квадратного корня.
Формулы эллипсоидальной Земли
[ редактировать ]Приведенная выше формула распространена на эллипсоидную Землю:
- ,
где и — меридиональный « и его перпендикуляр, или « нормальные » , радиусы кривизны Земли Преобразовании географических координат ( их формулы см. также в »).
Он получается путем аппроксимации в квадратном корне.
В случае средней или низкой широты
[ редактировать ]Кроме того, вышеизложенное упрощается путем аппроксимации синусоидальных функций , оправдано, за исключением высоких широт: [2] [3]
Формула FCC
[ редактировать ]FCC : предписывает следующие формулы для расстояний, не превышающих 475 километров (295 миль) [4]
- где
- = Расстояние в километрах;
- и находятся в градусах;
- должны быть в единицах, совместимых с методом, используемым для определения
- Где и выражаются в километрах на угловой градус. Они получены из радиусов кривизны Земли следующим образом:
- = километры на дуговой градус разницы широт;
- = километры на дугу градуса разницы долготы;
- Обратите внимание, что выражения в формуле FCC получены в результате усечения биномиального ряда формы разложения и , установленный на Кларка 1866 года эллипсоиде . Для более эффективной в вычислительном отношении реализации приведенной выше формулы несколько применений косинуса можно заменить одним применением и использованием рекуррентного соотношения для полиномов Чебышева .
Формула плоской Земли в полярных координатах
[ редактировать ]- где значения широты указаны в радианах:
- Для широты, измеряемой в градусах, широта в радианах может быть рассчитана следующим образом:
Формулы сферической поверхности
[ редактировать ]Если кто-то готов принять возможную ошибку в 0,5%, можно использовать формулы сферической тригонометрии для сферы, которая лучше всего аппроксимирует поверхность Земли.
Кратчайшее расстояние по поверхности сферы между двумя точками на поверхности — вдоль большого круга, содержащего две точки.
В статье о расстоянии по большому кругу приведена формула для расчета наименьшей длины арки. на сфере размером с Землю. В этой статье есть пример расчета. Например, с расстояния туннеля ,
На короткие расстояния ( ),
Расстояние туннеля
[ редактировать ]Туннель между точками на Земле определяется декартовой линией, проходящей через трехмерное пространство между точками интереса.Расстояние туннеля - длина хорды большого круга, которую для соответствующей единичной сферы можно рассчитать следующим образом:
Формулы эллипсоидальной поверхности
[ редактировать ]Эллипсоид гораздо лучше приближает поверхность Земли, чемсфера или плоская поверхность. Кратчайшее расстояние по поверхностиэллипсоида между двумя точками на поверхности проходит вдоль геодезический . Геодезические идут более сложными путями, чем великиекруги и, в частности, они обычно не возвращаются к исходному состоянию.положения после одного оборота Земли. Это проиллюстрировано врисунок справа, где f принято равным 1/50, чтобы подчеркнутьэффект. Найдя геодезическую между двумя точками на Земле,так называемая обратная геодезическая задача , была в центре внимания многихматематики и геодезисты на протяжении 18-19 вв.столетия с большим вкладом Клеро , [5] Лежандр , [6] Бессель , [7] и Хелмерт английский перевод Astron. Нахр. 4 , 241–254 (1825) . Ошибка . [8] Рэпп [9] дает хорошее резюме этой работы.
Методы расчета геодезического расстояния широко доступны в географические информационные системы , библиотеки программного обеспечения, автономныеутилиты и онлайн-инструменты. Наиболее широко используемый алгоритм – Винсенти , [10] который использует ряд с точностью до третьего порядка при сглаживанииэллипсоид, т.е. около 0,5 мм; однако алгоритм не можетсходятся в точках, которые почти противоположны . (Дляподробности см. в формулах Винсенти .) Этот дефект устраняется валгоритм, заданныйКарни, [11] который использует ряды с точностью до шестого порядка по сглаживанию.В результате получается алгоритм с точностью до полной двойной точности.и которая сходится для произвольных пар точек Земли. Этоталгоритм реализован в GeographicLib. [12]
Точные методы, описанные выше, применимы при проведении расчетов накомпьютер. Они предназначены для обеспечения точности до миллиметра на линиях любой сложности.длина; можно использовать более простые формулы, если не нужен миллиметрточность, или если нужна точность до миллиметра, но линия короткая.
Методы короткой линии изучались несколькими исследователями. Рэпп, [13] Глава. 6 описывает метод Пюиссана ,метод средних широт Гаусса и метод Боуринга. [14] Карл Хубени [15] получили расширенный ряд среднеширотного Гаусса, представленный как поправка к плоскоповерхностному.
Формула Ламберта для длинных линий
[ редактировать ]Исторически сложилось так, что формулы длинных линий выводились в виде рядов разложения с учетом сглаживания. .
Формулы Ламберта [16] использовать поправку первого порядка и уменьшенную широту , , для большей точности. Они дают точность порядка 10 метров на тысячи километров.
Сначала преобразуйте широты , из двух точек в пониженные широты , .Затем вычислите центральный угол в радианах между двумя точками и на сфере с использованием метода расстояния Большого круга ( формула гаверсинуса ), с долготами и на сфере то же самое, что и на сфероиде.
- ,
где – экваториальный радиус выбранного сфероида.
На сфероиде GRS 80 формула Ламберта отклоняется на
- от 0 севера от 0 запада до 40 севера 120 запада, 12,6 метра
- От 0 Н 0 Вт до 40 Н 60 Вт, 6,6 метра
- От 40 Н 0 Вт до 40 Н 60 Вт, 0,85 метра
Метод Гаусса для средних широт для коротких линий
[ редактировать ]Он имеет аналогичную форму длины дуги, преобразованной из расстояния туннеля. Подробные формулы приведены Раппом, [13] §6.4. По-видимому, это согласуется с вышеупомянутыми формулами плоской поверхности.
Метод Боуринга для коротких линий
[ редактировать ]Боуринг отображает точки в сферу радиуса R' , широта и долгота которого представлены как φ' и λ'. Определять
где второй квадрат эксцентриситета равен
Сферический радиус
( Гауссова кривизна эллипсоида в точке φ 1 равна 1/ R′ 2 .)Сферические координаты имеют вид
где , , , . Возникшая проблема на сфере может быть решена с использованием методов навигации по большому кругу, чтобы получить приближенные значения сфероидального расстояния и пеленга. Подробные формулы предоставлены Раппом. [13] §6.5, Боуринг, [14] и Карни [17] .
Коррекция высоты
[ редактировать ]Изменение высоты от топографического уровня или уровня земли до поверхности сферы или эллипсоида также меняет масштаб измерений расстояний. [18] Наклонное расстояние s ( длина хорды ) между двумя точками можно уменьшить до длины дуги на поверхности эллипсоида S как: [19]
где R оценивается по азимутальному радиусу кривизны Земли , а h — эллипсоидные высоты в каждой точке. Первый член в правой части уравнения учитывает среднюю высоту, а второй член — наклон.Дальнейшее уменьшение длины нормального сечения над Землей до эллипсоидальной геодезической длины часто незначительно. [19]
См. также
[ редактировать ]- Измерение дуги
- Радиус Земли
- Сферическая Земля
- Расстояние большого круга
- Навигация по большому кругу
- Расстояние до образца грунта
- Формулы Винсенти
- Меридианная дуга
- Масштаб (карта)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Британское картографическое общество > Какова длина береговой линии Великобритании?» . Архивировано из оригинала 22 мая 2012 г. Проверено 6 декабря 2008 г.
- ^ Уильямс, Э. (2013). «Авиационный формуляр» . Проверено 23 июня 2024 г.
- ^ Уильямс, Э. (2002). «Навигация по сфероидальной Земле» . Проверено 28 ноября 2023 г.
- ^ «Опорные точки и расчет расстояний» (PDF) . Свод федеральных правил (ежегодное издание). Название 47: Телекоммуникации . 73 (208). 1 октября 2016 года . Проверено 8 ноября 2017 г.
- ^ Клеро, AC (1735 г.). «Геометрическое определение перпендикуляра к меридиану, проведенного Жаком Кассини» . Мемуары Королевской академии наук Парижа 1733 г. (на французском языке): 406–416.
- ^ Лежандр, AM (1806 г.). «Анализ треугольников, нарисованных на поверхности сфероида» [Анализ сфероидальных треугольников]. Mémoires de l'Institut National de France (на французском языке) (1-й семестр): 130–161.
- ^ Бессель, Ф.В. (2010) [1825]. «Расчет долготы и широты по геодезическим измерениям». Астрономические Нахрихтен . 331 (8). . Перевод CFF Karney & RE Deakin: 852–861. arXiv : 0908.1824 . Бибкод : 2010AN....331..852K . дои : 10.1002/asna.201011352 . S2CID 118760590 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ) - ^ Гельмерт, Франция (1964) [1880]. Математические и физические теории высшей геодезии . Том. 1. Сент-Луис: Центр аэронавигационных карт и информации.
{{cite book}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ) Английский перевод «Математических и физических теорий высшей геодезии» , Том 1 (Тойбнер, Лейпциг, 1880). - ^ Рэпп, Р.Х. (март 1993 г.). Геометрическая геодезия. Часть II (Технический отчет). Университет штата Огайо . Проверено 1 августа 2011 г.
- ^ Винсенти, Т. (апрель 1975 г.). «Прямые и обратные решения геодезических на эллипсоиде с применением вложенных уравнений» (PDF) . Обзор опроса . 23 (176): 88–93. дои : 10.1179/sre.1975.23.176.88 . Проверено 11 июля 2009 г. Приложение: Обзор обзора 23 (180): 294 (1976).
{{cite journal}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ) - ^ Карни, CFF (2013). «Алгоритмы геодезических». Журнал геодезии . 87 (1): 43–55. arXiv : 1109.4448 . Бибкод : 2013JGeod..87...43K . дои : 10.1007/s00190-012-0578-z . S2CID 119310141 . – (открытый доступ). Дополнения .
- ^ Карни, CFF (2013). «Географическая библиотека» . 1.32.
- ^ Jump up to: а б с Рапп, Р.Х. (1991). Геометрическая геодезия. Часть I (Отчет). Стартовый университет Огайо. hdl : 1811/24333 .
{{cite report}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Боуринг, БР (1981). «Прямая и обратная задачи для коротких геодезических линий на эллипсоиде». Геодезия и картографирование . 41 (2): 135–141.
- ^ Хубени, К. (1954). Разработка формул гауссовой средней ширины , Австрийский журнал геодезии.
- ^ Ламберт, WD (1942). «Расстояние между двумя далеко отстоящими друг от друга точками на поверхности Земли». Академия наук Дж. Вашингтона . 32 (5): 125–130.
- ^ GeographicLib#Краткие геодезические
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 августа 2014 г. Проверено 26 августа 2014 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Торге и Мюллер (2012) Геодезия, Де Грюйтер, стр.249
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ( Онлайн-геодезический калькулятор на основе GeographicLib).
- Интернет -геодезическая библиография .