Геодезический датум или геодезическая система (также: геодезический референц-датум , геодезическая система отсчета , или геодезическая система отсчета , или наземная система отсчета ) — это глобальная система отсчета или система отсчета для однозначного представления положения местоположений на Земле с помощью геодезических координат (и связанных с ними вертикальных координат ) или геоцентрических координат . [1] Датумы [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 . Горизонтальный датум используется для измерения горизонтального положения по поверхности Земли по широте и долготе или другой связанной системе координат. Вертикальный датум используется для измерения высоты или глубины относительно стандартного начала координат, такого как средний уровень моря (MSL). Трехмерный датум позволяет выражать как горизонтальные, так и вертикальные компоненты положения в унифицированной форме. [2] Эту концепцию можно обобщить для других небесных тел, например, для планетарных данных .
С появлением глобальной системы позиционирования (GPS) эллипсоид и датум WGS 84, которые она использует, вытеснили большинство других во многих приложениях. WGS 84 предназначен для глобального использования, в отличие от большинства более ранних датумов. До GPS не было точного способа измерения положения местоположения, которое было далеко от опорных точек, используемых при реализации локальных датумов, таких как от нулевого меридиана в Гринвичской обсерватории для долготы, от экватора для широты или от ближайшего побережья для уровня моря. Астрономические и хронологические методы имеют ограниченную точность и достоверность, особенно на больших расстояниях. Даже GPS требует предопределенной структуры, на которой будут основываться его измерения, поэтому WGS 84 по сути функционирует как датум, хотя он отличается в некоторых деталях от традиционного стандартного горизонтального или вертикального датума.
Стандартная спецификация датума (горизонтальная, вертикальная или трехмерная) состоит из нескольких частей: модель формы и размеров Земли, например, референц-эллипсоид или геоид ; начало , в котором эллипсоид/геоид привязан к известному (часто отмеченному) месту на Земле или внутри нее (не обязательно на широте 0 0 долготы); и несколько контрольных точек или опорных точек, которые были точно измерены от начала и физически отмечены. Затем координаты других мест измеряются от ближайшей контрольной точки посредством съемки . Поскольку эллипсоид или геоид различаются между датумами, а также их началами и ориентацией в пространстве, соотношение между координатами, отнесенными к одному датуму, и координатами, отнесенными к другому датуму, не определено и может быть только приближенным. При использовании локальных датумов несоответствие на местности между точкой, имеющей одинаковые горизонтальные координаты в двух разных датумах, может достигать километров, если точка находится далеко от начала одного или обоих датумов. Это явление называется сдвигом датума или, в более общем смысле, преобразованием датума , поскольку оно может включать в себя поворот и масштабирование в дополнение к смещению.
Поскольку Земля является несовершенным эллипсоидом, локальные датумы могут дать более точное представление о некоторой конкретной области покрытия, чем WGS 84. Например, OSGB36 является лучшим приближением к геоиду, покрывающему Британские острова, чем глобальный эллипсоид WGS 84. [3] Однако, поскольку преимущества глобальной системы перевешивают большую точность, глобальный датум WGS 84 получил широкое распространение. [4]
.svg/1280px-Index_chart_of_the_Great_Trigonometrical_Survey_of_India_(vectorized).svg.png)
Сферическая природа Земли была известна древним грекам, которые также разработали концепции широты и долготы, а также первые астрономические методы их измерения. Эти методы, сохраненные и далее развитые мусульманскими и индийскими астрономами, были достаточны для глобальных исследований XV и XVI веков.
Однако научные достижения эпохи Просвещения привели к признанию ошибок в этих измерениях и требованию большей точности. Это привело к технологическим инновациям, таким как морской хронометр 1735 года Джона Харрисона , а также к пересмотру основных предположений о форме самой Земли. Исаак Ньютон постулировал, что сохранение импульса должно сделать Землю сплющенной (шире на экваторе), в то время как ранние исследования Жака Кассини (1720) привели его к убеждению, что Земля вытянутая (шире на полюсах). Последующие французские геодезические миссии (1735-1739) в Лапландию и Перу подтвердили Ньютона, но также обнаружили изменения в гравитации, которые в конечном итоге привели к модели геоида .
Современным развитием стало использование тригонометрической съемки для точного измерения расстояния и местоположения на больших расстояниях. Начиная с съемок Жака Кассини (1718) и Англо-французской съемки (1784–1790) , к концу XVIII века контрольные сети съемки охватывали Францию и Соединенное Королевство . Более амбициозные начинания, такие как Геодезическая дуга Струве через Восточную Европу (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 была завершена только в 1899 году.
В результате обследования США были созданы Североамериканский датум (горизонтальный) 1927 года (NAD27) и Вертикальный датум 1929 года (NAVD29), первые стандартные датумы, доступные для общественного использования. За этим последовал выпуск национальных и региональных датумов в течение следующих нескольких десятилетий. Улучшение измерений, включая использование ранних спутников , позволило получить более точные датумы в конце 20-го века, такие как NAD83 в Северной Америке, ETRS89 в Европе и GDA94 в Австралии. В это время также были впервые разработаны глобальные датумы для использования в спутниковых навигационных системах, особенно Всемирная геодезическая система (WGS 84), используемая в глобальной системе позиционирования США (GPS), и Международная наземная система отсчета и рамка (ITRF), используемая в европейской системе Galileo .
Горизонтальный датум — это модель, используемая для точного измерения положений на Земле; таким образом, он является важнейшим компонентом любой пространственной системы отсчета или картографической проекции . Горизонтальный датум связывает указанный референц-эллипсоид , математическую модель формы Земли, с физической Землей. Таким образом, географическая система координат на этом эллипсоиде может использоваться для измерения широты и долготы реальных местоположений. Региональные горизонтальные датумы, такие как NAD27 и NAD83 , обычно создают эту привязку с серией физически зафиксированных геодезических контрольных точек известного местоположения. Глобальные датумы, такие как WGS84 и ITRF , обычно привязаны к центру масс Земли (что делает их полезными для отслеживания спутниковых орбит и, таким образом, для использования в спутниковых навигационных системах.
Конкретная точка может иметь существенно разные координаты в зависимости от датума, используемого для выполнения измерения. Например, координаты в NAD83 могут отличаться от NAD27 на несколько сотен футов. Существуют сотни локальных горизонтальных датумов по всему миру, обычно привязанных к какой-либо удобной локальной точке отсчета. Современные датумы, основанные на все более точных измерениях формы Земли, предназначены для покрытия больших территорий. Датум WGS 84 , который почти идентичен датуму NAD83 , используемому в Северной Америке, и датуму ETRS89, используемому в Европе, является общепринятым стандартным датумом. [ необходима цитата ]
Вертикальная система отсчета — это опорная поверхность для вертикальных положений , таких как высоты объектов Земли, включая рельеф , батиметрию , уровень воды и искусственные сооружения.
Приблизительное определение уровня моря — это датум WGS 84 , эллипсоид , тогда как более точное определение — Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), использующая не менее 2159 сферических гармоник . Другие датумы определены для других областей или в другое время; ED50 был определен в 1950 году над Европой и отличается от WGS 84 на несколько сотен метров в зависимости от того, где в Европе вы смотрите. На Марсе нет океанов , а значит, и уровня моря, но для определения местоположения там использовались по крайней мере два марсианских датума .
В геодезических координатах поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом , а местоположения вблизи поверхности описываются в терминах геодезической широты ( ), долготы ( ) и эллипсоидальной высоты ( ). [примечание 2]
Эллипсоид полностью параметризуется большой полуосью и уплощением .
Из и можно вывести малую полуось , первый эксцентриситет и второй эксцентриситет эллипсоида.
Два основных референц-эллипсоида, используемых во всем мире, — это GRS80 [5] и WGS 84. [6]
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.
Разница в координатах между системами отсчета обычно называется сдвигом системы отсчета . Сдвиг системы отсчета между двумя конкретными системами отсчета 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 в разных системах отсчета, поэтому истинный север будет немного отличаться. Различные системы отсчета используют разные интерполяции для точной формы и размера Земли ( референц-эллипсоиды ). Например, в Сиднее разница между координатами GPS, настроенными в GDA (на основе глобального стандарта WGS 84) и AGD (используется для большинства локальных карт), составляет 200 метров (700 футов), что является неприемлемо большой ошибкой для некоторых приложений, таких как геодезия или определение местоположения места для подводного плавания . [7]
Преобразование датума — это процесс преобразования координат точки из одной системы датума в другую. Поскольку геодезические сети, на которых традиционно основывались датумы, были нерегулярными, а ошибка в ранних съемках распределялась неравномерно, преобразование датума не может быть выполнено с помощью простой параметрической функции. Например, преобразование из NAD27 в NAD83 выполняется с помощью NADCON (позже усовершенствованной как HARN), растровой сетки, покрывающей Северную Америку, при этом значение каждой ячейки является средним расстоянием корректировки для этой области по широте и долготе. Преобразование датума часто может сопровождаться изменением проекции карты .
Геодезический референц-датум — это известная и постоянная поверхность, которая используется для описания местоположения неизвестных точек на Земле. Поскольку референц-датумы могут иметь разные радиусы и разные центральные точки, конкретная точка на Земле может иметь существенно разные координаты в зависимости от референц-датума, используемого для выполнения измерения. Существуют сотни локально разработанных референц-датумов по всему миру, обычно привязанных к какой-либо удобной локальной референц-точке. Современные референц-датумы, основанные на все более точных измерениях формы Земли, предназначены для покрытия больших территорий. Наиболее распространенными референц-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 был определен местоположением и азимутом на сфероиде Кларка 1866 года с началом в (станции съемки) Мидс-Ранч (Канзас) ». ... Геоидальная высота в Мидс-Ранч предполагалась равной нулю, поскольку достаточных данных о гравитации не было, а это было необходимо для соотнесения измерений поверхности с датумом. «Геодезические позиции на Североамериканском датуме 1927 года были получены из (координат и азимута в Мидс-Ранч) посредством повторной корректировки триангуляции всей сети, в которой были введены азимуты Лапласа и использовался метод Боуи». (http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum) NAD27 — это локальная система координат, охватывающая Северную Америку.
Североамериканская система координат 1983 года (NAD 83) — это «горизонтальная контрольная система координат для Соединенных Штатов, Канады, Мексики и Центральной Америки, основанная на геоцентрическом начале и геодезической системе отсчета 1980 года ( GRS80 ). «Эта система координат, обозначенная как NAD 83... основана на корректировке 250 000 точек, включая 600 спутниковых доплеровских станций, которые ограничивают систему геоцентрическим началом». NAD83 можно считать локальной системой отсчета.
WGS 84 — это Всемирная геодезическая система 1984 года. Это система отсчета, используемая Министерством обороны США (DoD), и определена Национальным агентством геопространственной разведки (NGA) (ранее Агентством картографии Министерства обороны, затем Национальным агентством по изображениям и картографии). WGS 84 используется Министерством обороны для всех его картографических, картографических, геодезических и навигационных нужд, включая его «трансляционные» и «точные» орбиты GPS . WGS 84 была определена в январе 1987 года с использованием методов спутниковой съемки Доплера. Она использовалась в качестве системы отсчета для трансляции эфемерид (орбит) GPS с 23 января 1987 года. В 00:00 по Гринвичу 2 января 1994 года точность WGS 84 была повышена с помощью измерений GPS. Затем официальное название стало WGS 84 (G730), поскольку дата обновления совпала с началом 730-й недели GPS. Она стала опорной системой для вещательных орбит 28 июня 1994 года. В 00:00 по Гринвичу 30 сентября 1996 года (начало 873-й недели GPS) WGS 84 была снова переопределена и стала более тесно связана с системой ITRF 94 Международной службы вращения Земли (IERS). Затем она была официально названа WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) была принята в качестве опорной системы для вещательных орбит 29 января 1997 года. [8] Еще одно обновление привело ее к WGS 84 (G1674).
Система координат WGS 84, отличающаяся от системы координат NAD83, используемой в Северной Америке, на два метра, является единственной мировой системой координат, действующей сегодня. WGS 84 является стандартной системой координат по умолчанию для координат, хранящихся в любительских и коммерческих устройствах GPS.
Пользователям GPS следует помнить, что они всегда должны проверять датум используемых ими карт. Для корректного ввода, отображения и сохранения координат карты, связанных с картой, датум карты должен быть введен в поле даты карты GPS.
Примерами картографических данных являются:
Тектонические плиты Земли движутся относительно друг друга в разных направлениях со скоростью порядка 50–100 мм (2,0–3,9 дюйма) в год. [23] Таким образом, местоположения на разных плитах находятся в движении относительно друг друга. Например, долготная разница 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. [ требуется цитата ] Эти тектонические движения также влияют на широту.
Если используется глобальная система отсчета (например, WGS84 ), координаты места на поверхности, как правило, будут меняться из года в год. Большинство карт, например, в пределах одной страны, не охватывают пластины. Чтобы минимизировать 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)