Jump to content

Географическое расстояние

Вид со Швабской Юры на Альпы

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 ]
Геодезическая на сплюснутом эллипсоиде

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 ]
  1. ^ «Британское картографическое общество > Какова длина береговой линии Великобритании?» . Архивировано из оригинала 22 мая 2012 г. Проверено 6 декабря 2008 г.
  2. ^ Уильямс, Э. (2013). «Авиационный формуляр» . Проверено 23 июня 2024 г.
  3. ^ Уильямс, Э. (2002). «Навигация по сфероидальной Земле» . Проверено 28 ноября 2023 г.
  4. ^ «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.
  5. ^ Клеро, AC (1735 г.). «Геометрическое определение перпендикуляра к меридиану, проведенного Жаком Кассини» . Мемуары Королевской академии наук Парижа 1733 г. (на французском языке): 406–416.
  6. ^ 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.
  7. ^ 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 )
  8. ^ 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).
  9. ^ Рэпп, Р.Х. (март 1993 г.). Геометрическая геодезия. Часть II (Технический отчет). Университет штата Огайо . Проверено 1 августа 2011 г.
  10. ^ 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 )
  11. ^ 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 .
  12. ^ Карни, CFF (2013). «Географическая библиотека» . 1.32.
  13. ^ 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 )
  14. ^ 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.
  15. ^ Хубени, К. (1954). Разработка формул гауссовой средней ширины , Австрийский журнал геодезии.
  16. ^ Ламберт, WD (1942). «Расстояние между двумя далеко отстоящими друг от друга точками на поверхности Земли». Академия наук Дж. Вашингтона . 32 (5): 125–130.
  17. ^ GeographicLib#Краткие геодезические
  18. ^ «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 )
  19. ^ Jump up to: а б Торге и Мюллер (2012) Геодезия, Де Грюйтер, стр.249
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9c82186b2ae5dfc7f60830f661fc9f7d__1722131400
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9c/7d/9c82186b2ae5dfc7f60830f661fc9f7d.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Geographical distance - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)