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] Данные [примечание 1] имеют решающее значение для любой технологии или техники, основанной на пространственном местоположении, включая геодезию , навигацию , геодезию , географические информационные системы , дистанционное зондирование и картографию . Горизонтальная база данных используется для измерения местоположения на поверхности Земли по широте 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 существовало точного способа измерения положения места, находящегося вдали от универсальных контрольных точек, например, от нулевого меридиана 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 сдвигом данных .
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]
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 должно привести к сжатию Земли (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 .
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 базы данных, 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 цитата ]
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, где в Европе вы смотрите. На Марсе нет океанов и, следовательно, нет уровня моря, но для определения местонахождения там использовались как минимум две марсианские датумы .
В геодезических координатах поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом , а местоположения вблизи поверхности описываются с точки зрения геодезической широты ( ), долготы ( ) и эллипсоидальной высоты ( ). [заметка 2]
Эллипсоид полностью параметризован большой полуосью и уплощением .
Из и можно вывести малую полуось , первый эксцентриситет и второй эксцентриситет эллипсоида.
Двумя основными опорными эллипсоидами, используемыми во всем мире, являются GRS80 [4] и WGS 84. [5]
Более полный список геодезических систем можно найти здесь.
Глобальная система позиционирования (GPS) использует Всемирную геодезическую систему 1984 года (WGS 84) для определения местоположения точки вблизи поверхности Земли.
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 .
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 локально разработанных 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 данными, 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.
Североамериканская система координат 1983 года (NAD 83) — это «система горизонтального контроля для Соединенных Штатов, Канады, Мексики и Центральной Америки, основанная на геоцентрическом происхождении и геодезической системе отсчета 1980 года ( GRS80 ).» Эта база данных, обозначенная как 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 «трансляцию» GPS 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. Официальное название затем 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). На 873 неделе), WGS 84 был снова переопределен и стал более тесно связан с рамкой ITRF 94 Международной службы вращения Земли (IERS). Тогда он официально 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 ее 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, необходимо ввести датум карты в поле датума карты GPS.
Примеры картографических данных:
Тектонические плиты Земли движутся относительно друг друга в разных направлениях со скоростью порядка 50–100 мм (2,0–3,9 дюйма) в год. [22] Таким образом, 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 цитата ] 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 таких систем отсчета являются « NAD83 » для Северной Америки и « ETRS89 » для Европы.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)