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 появлением 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 было точного способа измерить положение места, которое было далеко 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 исследований Жака Кассини (1718 г.) и Англо-французского исследования (1784–1790 гг.) , к концу XVIII века сети управления исследованиями охватывали Францию и Соединенное Королевство . Более амбициозные начинания, такие как Геодезическая дуга Струве по всей Восточной Европе (1816–1855) и Великое тригонометрическое обследование 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, включая 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 координат — это модель, используемая для измерения положения на Земле. Конкретная точка может иметь существенно разные координаты в зависимости от базы данных, использованной для измерения. 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, в какую часть Европы вы смотрите. На Марсе нет океанов и, следовательно, нет уровня моря, но для определения местонахождения там были использованы по крайней мере 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 местных 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 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 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 базе данных 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.
Североамериканский датум 1983 года (NAD 83) — это «горизонтальный контрольный датум для Соединенных Штатов, Канады, Мексики и Центральной Америки, основанный на геоцентрическом происхождении и геодезической базовой системе 1980 года ( GRS80 ).» 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-й 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, датум карты необходимо ввести в поле датума карты GPS.
Примеры картографических данных:
Тектонические плиты Земли движутся относительно друг друга в разных направлениях со скоростью порядка от 50 до 100 мм (от 2,0 до 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 этих систем отсчета являются « NAD83 » для Северной Америки и « ETRS89 » для Европы.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)