Североамериканский датум ( NAD ) — это горизонтальный датум, который в настоящее время используется для определения геодезической сети в Северной Америке. Датум — это формальное описание формы Земли вместе с «опорной» точкой для системы координат. В геодезии , картографии и планировании землепользования для выполнения боковых или «горизонтальных» измерений используются два североамериканских датума: североамериканский датум 1927 года (NAD 27) и североамериканский датум 1983 года (NAD 83). Обе являются геодезическими системами отсчета , основанными на несколько разных предположениях и измерениях.
Вертикальные измерения, основанные на расстояниях выше или ниже среднего уровня полной воды (MHW), рассчитываются с использованием Североамериканской системы вертикальных данных 1988 года (NAVD 88). [1]
NAD 83, как и NAVD 88, планируется заменить новой геометрической системой отсчета, основанной на GPS и гравиметрической модели геоида, а также геопотенциальными данными, возможно, в 2025 году . [2]
В 1901 году Береговая и геодезическая служба США приняла национальный горизонтальный датум , названный Стандартным датумом США, основанный на эллипсоиде Кларка 1866 года. Он был подобран к данным, ранее собранным для региональных датумов, которые к тому времени начали перекрываться. В 1913 году Канада и Мексика приняли этот датум, поэтому он также был переименован в Североамериканский датум. [3] [4]
По мере сбора дополнительных данных стали появляться расхождения, поэтому в 1927 году датум был пересчитан с использованием того же сфероида и начала координат, что и у его предшественника.
Североамериканская система координат 1927 года (NAD 27) была основана на обследованиях всего континента из общей точки отсчета, которая была выбрана в 1901 году, поскольку она находилась настолько близко к центру смежных Соединенных Штатов, насколько это было возможно вычислить: она была основана на триангуляционной станции на стыке трансконтинентальной триангуляционной дуги 1899 года на 39-й параллели северной широты и триангуляционной дуги вдоль 98-го меридиана западной долготы , которая находилась недалеко от географического центра смежных Соединенных Штатов . [5] [6] [7] [8] В системе координат триангуляционная станция Мидс-Ранч в округе Осборн, штат Канзас, находится на 39°13′26.686″ северной широты, 98°32′30.506″ западной долготы. [9] NAD 27 ориентирован путем объявления азимута от Meades Ranch до станции Waldo (также в округе Осборн, примерно в 4,5 милях (7,2 км) к северо-западу от Waldo, округ Рассел ) [10] равным 255°28′14.52″ от севера. Широта и долгота любой другой точки в Северной Америке затем основываются на ее расстоянии и направлении от Meades Ranch: если точка была X метров по азимуту Y градусов от Meades Ranch, измеренному на эллипсоиде Кларка 1866 года, то ее широта и долгота на этом эллипсоиде были определены и могли быть вычислены.
Это определяющие размеры для NAD 27, но Кларк фактически определил свой сфероид 1866 года как a = 20 926 062 британских футов, b = 20 855 121 британский фут. Преобразование в метры использует отношение дюймов к метрам Кларка 1865 года 39,370432. Длина фута или метра в то время не могла быть практически измерена с точностью лучше, чем около 0,02 мм. [11]
Большинство топографических карт Геологической службы США были опубликованы в формате NAD 27, а многие крупные проекты Инженерного корпуса армии США и других агентств были определены в формате NAD 27, поэтому этот датум остается важным, несмотря на то, что доступны более точные датумы.
Поскольку Земля значительно отклоняется от идеального эллипсоида , эллипсоид, который лучше всего аппроксимирует ее форму, варьируется от региона к региону по всему миру. Clarke 1866 и North American Datum 1927 с ним были обследованы, чтобы наилучшим образом соответствовать Северной Америке в целом. Аналогично, исторически большинство регионов мира использовали эллипсоиды, измеренные локально, чтобы наилучшим образом соответствовать капризам формы Земли в их соответствующих местах. Гарантируя наибольшую точность на местном уровне, эта практика делает интеграцию и распространение информации по регионам проблематичным.
Поскольку спутниковая геодезия и технология дистанционного зондирования достигли высокой точности и стали доступны для гражданских приложений, стало возможным получать информацию, относящуюся к одному глобальному эллипсоиду. Это связано с тем, что спутники естественным образом имеют дело с Землей как с монолитным телом. Поэтому эллипсоид GRS 80 был разработан для наилучшего приближения Земли в целом и стал основой для Североамериканского датума 1983 года. Хотя GRS 80 и его близкий родственник WGS 84 , как правило, не являются наилучшими для любого данного региона, необходимость в наиболее близком соответствии в значительной степени исчезает, когда глобальная съемка сочетается с компьютерами, базами данных и программным обеспечением, способным компенсировать местные условия.
Точка с заданной широтой и долготой в NAD 27 может быть смещена на порядок на десятки метров относительно другой точки с идентичной широтой и долготой в NAD 83, поэтому важно указать датум вместе с координатами. Североамериканский датум 1927 года определяется широтой и долготой начальной точки ( триангуляционная станция Meades Ranch в Канзасе), направлением линии между этой точкой и указанной второй точкой и двумя измерениями, которые определяют сфероид. Североамериканский датум 1983 года основан на более новом определенном сфероиде (GRS 80); это геоцентрический (или « геоцентрический ») датум, не имеющий начальной точки или начального направления.
NOAA предоставляет преобразователь между двумя системами. [12] Практический эффект заключается в том, что если вы используете современное устройство GPS, настроенное на работу в NAD 83 или WGS 84, для навигации по координатам NAD 27 (как на топографической карте) около Сиэтла , вы ошибетесь примерно на 95 метров (недостаточно далеко на запад), и вы будете примерно на 47 метров около Майами (недостаточно далеко на северо-северо-восток), тогда как вы будете намного ближе для точек около Чикаго .
Определение NAD 83 (1986) основано на сфероиде GRS 80, как и WGS 84, поэтому многие более старые публикации не указывают на разницу. WGS 84 впоследствии изменился на немного менее сплющенный сфероид . Это изменение в сплющивании составляет около 0,1 мм, разница настолько мала, что вычислительные программы часто не различают два эллипсоида. [13] Однако из-за различий в том, как центрируются и ориентируются референц-эллипсоиды, координаты в двух системах отсчета отличаются друг от друга на величину порядка метра на большей части территории Соединенных Штатов. Каждая система отсчета подверглась уточнениям с более точными и более поздними измерениями. Одним из хорошо известных различий является расположение центра Земли, при этом две системы отличаются примерно на 2,2 метра (7,2 фута). [14]
Кроме того, NAD 83 определяется как постоянный с течением времени для точек на Североамериканской плите , тогда как WGS 84 определяется относительно среднего значения станций по всему миру. Таким образом, две системы естественным образом расходятся с течением времени. Для большей части Соединенных Штатов относительная скорость составляет порядка 1–2 см в год. Гавайи и прибрежные части центральной и южной Калифорнии к западу от разлома Сан-Андреас не находятся на Североамериканской плите, поэтому скорость их расхождения отличается.
Национальная система пространственных координат США NAD 83(2011/MA11/PA11) эпохи 2010.00 является уточнением даты NAD 83 с использованием данных из сети очень точных приемников GPS на непрерывно действующих опорных станциях (CORS). NAD 83(2011) описывает основную Североамериканскую плиту, в то время как решения MA11 и PA11 предназначены для Марианской плиты и Тихоокеанской плиты соответственно. [15]
Для улучшения Национальной системы пространственных координат NAD 83, а также Североамериканский вертикальный датум 1988 года (NAVD 88) должны быть заменены новой геометрической системой отсчета и геопотенциальными данными на основе глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), таких как Глобальная система позиционирования (GPS), и новой гравиметрической моделью геоида, возможно, в 2024-25 годах . [2] Новая гравиметрическая модель геоида является продуктом проекта «Гравитация для переопределения Американского вертикального датума» (GRAV-D).
Предполагается, что эти новые системы отсчета будут более доступными и удобными в обслуживании, чем NAD 83 и NAVD 88, которые опираются на физические отметки съемки, которые со временем изнашиваются. [2]