Североамериканская система отсчета ( NAD ) — это горизонтальная система отсчета, которая сейчас используется для определения геодезической сети в Северной Америке. База данных — это формальное описание формы Земли вместе с «якорной» точкой системы координат. В геодезии , картографии и планировании землепользования для выполнения латеральных или «горизонтальных» измерений используются две североамериканские датумы: североамериканская датум 1927 года (NAD 27) и североамериканская база данных 1983 года (NAD 83). Обе являются геодезическими базовыми системами , основанными на несколько разных предположениях и измерениях.
Вертикальные измерения, основанные на расстояниях выше или ниже среднего паводка (MHW), рассчитываются с использованием североамериканской вертикальной системы отсчета 1988 года (NAVD 88). [1]
NAD 83, наряду с NAVD 88, будет заменен новой геометрической системой отсчета, основанной на GPS и гравиметрической модели геоида, и геопотенциальной системой отсчета в 2022 году . [2]
В 1901 году Береговая и геодезическая служба США приняла национальную горизонтальную систему координат , названную Стандартной системой координат США, основанную на эллипсоиде Кларка 1866 года. Она была адаптирована к данным, ранее собранным для региональных систем координат, которые к тому времени начали перекрываться. В 1913 году Канада и Мексика приняли эту датум, поэтому она также была переименована в Североамериканскую датум. [3] [4]
По мере сбора большего количества данных появлялись расхождения, поэтому в 1927 году датум был пересчитан с использованием того же сфероида и того же источника координат, что и его предшественник.
Североамериканский датум 1927 года (NAD 27) был основан на съемках всего континента от общей контрольной точки, которая была выбрана в 1901 году, поскольку она находилась настолько близко к центру прилегающих Соединенных Штатов, насколько это было возможно вычислить: станция триангуляции на стыке трансконтинентальной триангуляционной дуги 1899 года на 39-й параллели северной широты и дуги триангуляции вдоль 98-го меридиана запада , которая находилась недалеко от географического центра сопредельных Соединенных Штатов .[5] [6] [7] [8] Согласно данным датума, триангуляционная станция Мидс-Ранч в округе Осборн, штат Канзас, находится на координатах 39°13′26,686″ северной широты и 98°32′30,506″ западной долготы. [9] NAD 27 ориентирован путем объявления азимута от ранчо Мидс до станции Уолдо (также в округе Осборн, примерно в 4,5 милях (7,2 км) к северо-западу от Уолдо, округ Рассел ) [10] как 255 ° 28′14,52 дюйма с севера. . Широта и долгота любой другой точки в Северной Америке затем зависит от ее расстояния и направления от ранчо Мидс: если точка находилась на расстоянии X метров по азимуту Y градусов от ранчо Мидс, измеренного на эллипсоиде Кларка 1866 года , то ее широта и долгота на этом эллипсоиде были определены и могли быть вычислены.
Это определяющие размеры NAD 27, но на самом деле Кларк определил свой сфероид 1866 года как a = 20 926 062 британских фута, b = 20 855 121 британский фут. Для преобразования в метры используется соотношение Кларка 1865 дюйм-метр, равное 39,370432. В то время длину фута или метра практически невозможно было измерить лучше, чем примерно 0,02 мм. [11]
Большинство топографических карт Геологической службы США были опубликованы в NAD 27, а многие крупные проекты Инженерного корпуса армии США и других агентств были определены в NAD 27, поэтому исходные данные остаются важными, несмотря на то, что доступны более уточненные исходные данные.
Поскольку Земля значительно отклоняется от идеального эллипсоида , эллипсоид, который лучше всего соответствует ее форме, варьируется от региона к региону по всему миру. Кларк 1866 г. и Североамериканский датум 1927 г. были исследованы как наиболее подходящие для Северной Америки в целом. Точно так же исторически в большинстве регионов мира использовались эллипсоиды, измеренные на местном уровне, чтобы лучше всего соответствовать капризам формы Земли в соответствующих местах. Хотя такая практика обеспечивает максимальную точность на местном уровне, она затрудняет интеграцию и распространение информации по регионам.
Когда спутниковая геодезия и технологии дистанционного зондирования достигли высокой точности и стали доступны для гражданских приложений, стало возможным получать информацию, относящуюся к единому глобальному эллипсоиду. Это связано с тем, что спутники естественным образом обращаются с Землей как с монолитным телом. Поэтому эллипсоид GRS 80 был разработан для наилучшего приближения Земли в целом и стал основой для североамериканских датумов 1983 года. Хотя GRS 80 и его близкий родственник WGS 84 , как правило, не лучше всего подходят для каких-либо данных. В регионе потребность в наиболее точном соответствии во многом исчезает, когда глобальное обследование сочетается с компьютерами, базами данных и программным обеспечением, способным компенсировать местные условия.
Точка, имеющая заданную широту и долготу в NAD 27, может быть смещена на порядок многих десятков метров от другой точки, имеющей такую же широту и долготу в NAD 83, поэтому важно указать датум вместе с координатами. Североамериканский датум 1927 года определяется широтой и долготой начальной точки ( триангуляционная станция Мидс-Ранч в Канзасе), направлением линии между этой точкой и указанной второй точкой, а также двумя размерами, определяющими сфероид. Североамериканские датумы 1983 года основаны на сфероиде нового определения (GRS 80); это геоцентрическая (или « геоцентрическая ») база данных, не имеющая начальной точки или начального направления.
NOAA предоставляет преобразователь между двумя системами. [12] Практическое значение заключается в том, что если вы используете современное устройство GPS, настроенное для работы в NAD 83 или WGS 84, для навигации к координатам NAD 27 (как по топографической карте) возле Сиэтла , вы отклонитесь примерно на 95 метров (не достаточно далеко на запад), и вы будете примерно в 47 метрах от Майами (недостаточно далеко на северо-северо-восток), тогда как для точек возле Чикаго вы будете намного ближе .
Определение NAD 83 (1986) основано на сфероиде GRS 80, как и WGS 84, поэтому многие старые публикации не указывают на разницу. WGS 84 впоследствии изменился на чуть менее сплюснутый сфероид . Это изменение уплощения 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 опорные эллипсоиды, координаты в двух базах данных отличаются друг от друга на величину порядка метра на большей части территории Соединенных Штатов. Каждая база данных подверглась уточнению с помощью более точных и более поздних измерений. Одним из хорошо известных различий является расположение центра Земли: разница между двумя системами составляет примерно 2,2 метра (7,2 фута). [14]
Кроме того, NAD 83 определяется как остающийся постоянным во времени для точек Северо- Американской плиты , тогда как WGS 84 определяется по отношению к среднему значению станций по всему миру. Таким образом, две системы естественным образом расходятся с течением времени. На большей части территории 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 Северо-Американской плите, поэтому скорость их расхождения различается.
Национальная пространственная система координат США NAD 83 (2011/MA11/PA11) эпохи 2010.00 года представляет собой уточнение системы координат NAD 83 с использованием данных из сети очень точных GPS-приемников на постоянно действующих опорных станциях (CORS). NAD 83 (2011) описывает основную Северо-Американскую плиту, а решения MA11 и PA11 предназначены для Марианской плиты и Тихоокеанской плиты соответственно. [15]
В целях улучшения Национальной пространственной системы отсчета NAD 83 вместе с Североамериканской вертикальной системой отсчета 1988 года (NAVD 88) в 2022 году будет заменена новой геометрической системой отсчета, основанной на GNSS- и гравиметрической модели геоида, и геопотенциальной системой отсчета . [2]
Новые системы отсчета будут опираться в первую очередь на глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), такие как глобальная система позиционирования (GPS), а также на гравиметрическую модель геоида , полученную в результате гравитации для переопределения американской вертикальной системы отсчета (GRAV-D). ) Проект.
Эти новые системы отсчета должны быть проще в доступе и обслуживании, чем NAD 83 и NAVD 88, которые основаны на физических геодезических знаках, которые со временем ухудшаются. [2]