Geodetisk dato - Geodetic datum

Et geodetisk datum eller et geodetisk system (også: geodetisk referansedato , geodetisk referansesystem eller geodetisk referanseramme ) er en global referanse eller referanseramme for nøyaktig måling av steder på jorden eller andre planetariske legemer. Datums er avgjørende for enhver teknologi eller teknikk basert på romlig plassering, inkludert geodesi , navigasjon , landmåling , geografiske informasjonssystemer , fjernmåling og kartografi . En horisontal datum brukes til å måle et sted over jordens overflate, i breddegrad og lengdegrad eller et annet koordinatsystem; et vertikalt datum brukes til å måle høyden eller dybden i forhold til en standard opprinnelse, for eksempel gjennomsnittlig havnivå (MSL). Siden fremveksten av det globale posisjoneringssystemet (GPS) har ellipsoiden og datoen WGS 84 den bruker erstattet de fleste andre i mange applikasjoner. WGS 84 er beregnet for global bruk, i motsetning til de fleste tidligere datums.

Før GPS var det ingen presis måte å måle posisjonen til et sted som var langt fra universelle referansepunkter, for eksempel fra Prime Meridian ved Greenwich Observatory for lengdegrad, fra ekvator for breddegrad eller fra nærmeste kyst for havnivå . Astronomiske og kronologiske metoder har begrenset presisjon og nøyaktighet, spesielt over lange avstander. Selv GPS krever et forhåndsdefinert rammeverk for å basere sine målinger, så WGS 84 fungerer i hovedsak som et nullpunkt, selv om det i noen detaljer er forskjellig fra et tradisjonelt standard horisontalt eller vertikalt nullpunkt.

En standard datumspesifikasjon (enten horisontal eller vertikal) består av flere deler: en modell for jordens form og dimensjoner, for eksempel en referanse -ellipsoid eller en geoid ; en opprinnelse der ellipsoiden/geoiden er knyttet til et kjent (ofte monumentert) sted på eller inne i jorden (ikke nødvendigvis på 0 breddegrad 0 lengdegrad); og flere kontrollpunkter som er nøyaktig målt fra opprinnelsen og monumentert. Deretter måles koordinatene til andre steder fra nærmeste kontrollpunkt gjennom oppmåling . Fordi ellipsoiden eller geoiden er forskjellig mellom dataene, sammen med deres opprinnelse og orientering i verdensrommet, er forholdet mellom koordinater som refereres til ett nulpunkt og koordinater som refereres til et annet datum, er udefinert og kan bare tilnærmes. Ved bruk av lokale data kan forskjellen på bakken mellom et punkt med de samme horisontale koordinatene i to forskjellige datums nå kilometer hvis punktet er langt fra opprinnelsen til det ene eller begge datumene. Dette fenomenet kalles datumforskyvning .

Fordi Jorden er en ufullkommen ellipsoid, kan lokale data gi en mer nøyaktig fremstilling av et bestemt dekningsområde enn WGS 84 kan. OSGB36 , for eksempel, er en bedre tilnærming til geoidet som dekker de britiske øyer enn den globale WGS 84 ellipsoiden. Ettersom fordelene med et globalt system oppveier større nøyaktighet, blir imidlertid det globale WGS 84 -datoen stadig mer vedtatt.

City of Chicago Datum Benchmark

Historie

The Great Trigonometrical Survey of India, en av de første undersøkelsene som er omfattende nok til å etablere et geodetisk datum.

Jordens sfæriske natur var kjent av de gamle grekerne, som også utviklet begrepene breddegrad og lengdegrad, og de første astronomiske metodene for å måle dem. Disse metodene, bevart og videreutviklet av muslimske og indiske astronomer, var tilstrekkelige for de globale undersøkelsene i det 15. og 16. århundre.

De vitenskapelige fremskrittene i opplysningstiden førte imidlertid til en anerkjennelse av feil i disse målingene, og et krav om større presisjon. Dette førte til teknologiske nyvinninger som Marine Chronometer fra 1735 av John Harrison , men også til en ny vurdering av de underliggende forutsetningene om selve jordens form. Isaac Newton postulerte at bevaringen av momentum skulle gjøre Jorden oblat (bredere ved ekvator), mens de tidlige undersøkelsene av Jacques Cassini (1720) fikk ham til å tro at Jorden var prolat (bredere ved polene). De påfølgende franske geodesiske oppdragene (1735-1739) til Lappland og Peru bekreftet Newton, men oppdaget også variasjoner i tyngdekraften som til slutt ville føre til geoidmodellen .

En moderne utvikling var bruken av den trigonometriske undersøkelsen for å måle avstand og plassering over store avstander nøyaktig. Fra og med undersøkelsene til Jacques Cassini (1718) og den engelsk-franske undersøkelsen (1784–1790) , på slutten av 1700-tallet, omfattet undersøkelseskontrollnettverk Frankrike og Storbritannia . Mer ambisiøse virksomheter som Struve Geodetic Arc over Øst-Europa (1816-1855) og Great Trigonometrical Survey of India (1802-1871) tok mye lengre tid, men resulterte i mer nøyaktige estimater av formen på jordelipsoiden . Den første trianguleringen over USA ble ikke fullført før i 1899.

Undersøkelsen i USA resulterte i den nordamerikanske datoen (horisontal) fra 1927 (NAD27) og den vertikale datoen fra 1929 (NAVD29), de første standarddataene som er tilgjengelige for offentlig bruk. Dette ble fulgt av utgivelsen av nasjonale og regionale data i løpet av de neste tiårene. Forbedring av målinger, inkludert bruk av tidlige satellitter , muliggjorde mer nøyaktige datums i det senere 20. århundre, for eksempel NAD83 i Nord -Amerika, ETRS89 i Europa og GDA94 i Australia. På dette tidspunktet ble globale data også først utviklet for bruk i satellittnavigasjonssystemer , spesielt World Geodetic System (WGS 84) som ble brukt i det amerikanske globale posisjoneringssystemet (GPS), og International Terrestrial Reference System and Frame (ITRF) som ble brukt i Europeisk Galileo -system.

Horisontal dato

Det horisontale nullpunktet er modellen som brukes til å måle posisjoner på jorden. Et bestemt punkt kan ha vesentlig forskjellige koordinater, avhengig av nullpunktet som ble brukt for å gjøre målingen. Det er hundrevis av lokale horisontale datums rundt om i verden, vanligvis referert til et praktisk lokalt referansepunkt. Samtidsdata, basert på stadig mer nøyaktige målinger av jordens form, er ment å dekke større områder. Den WGS 84 datum, som er nesten identisk med NAD83 datum brukt i Nord-Amerika og ETRS89 datum som brukes i Europa, er en felles standard datum.

Vertikal dato

Et vertikalt nulpunkt er en referanseoverflate for vertikale posisjoner , for eksempel høyden av jordfunksjonene, inkludert terreng , badymetri , vannivå og menneskeskapte strukturer.

En omtrentlig definisjon av havnivå er datoen WGS 84 , en ellipsoid , mens en mer nøyaktig definisjon er Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), ved bruk av minst 2159 sfæriske harmoniske . Andre data er definert for andre områder eller på andre tidspunkter; ED50 ble definert i 1950 over Europa og skiller seg fra WGS 84 med noen hundre meter avhengig av hvor i Europa du ser. Mars har ingen hav og så ingen havnivå, men minst to marsdatoer har blitt brukt til å finne steder der.

Geodetiske koordinater

Den samme posisjonen på en sfæroide har en annen breddevinkel, avhengig av om vinkelen måles fra det normale linjesegmentet CP for ellipsoiden (vinkelen α ) eller linjesegmentet OP fra midten (vinkelen β ). Vær oppmerksom på at " flatheten" til sfæren (oransje) i bildet er større enn Jorden; Som et resultat er den tilsvarende forskjellen mellom de "geodetiske" og "geosentriske" breddegrader også overdrevet.

I geodetiske koordinater tilnærmes jordens overflate av en ellipsoid , og steder i nærheten av overflaten er beskrevet i form av breddegrad ( ), lengdegrad ( ) og høyde ( ).

Geodetisk versus geosentrisk breddegrad

Geodetisk breddegrad og geosentrisk breddegrad representerer lignende mengder med forskjellige definisjoner. Geodetisk breddegrad er definert som vinkelen mellom ekvatorialplanet og overflaten normal på et punkt på ellipsoiden, mens geosentrisk breddegrad er definert som vinkelen mellom ekvatorialplanet og en radial linje som forbinder ellipsoidens sentrum med et punkt på overflaten (se figur). Når det brukes uten kvalifikasjon, refererer begrepet breddegrad til geodetisk breddegrad. For eksempel er breddegraden som brukes i geografiske koordinater geodetisk breddegrad. Standardnotasjonen for geodetisk breddegrad er φ . Det er ingen standard notasjon for geosentrisk breddegrad; eksempler inkluderer θ , ψ , φ ′ .

På samme måte er geodetisk høyde definert som høyden over ellipsoideoverflaten, normal for ellipsoiden; mens geosentrisk høyde er definert som høyden over ellipsoideoverflaten langs en linje til midten av ellipsoiden (radiusen). Når det brukes uten kvalifikasjon, refererer begrepet høyde til geodetisk høyde; slik det brukes i luftfarten. Geosentrisk høyde brukes vanligvis i banemekanikk .

Jordreferanse ellipsoid

Definere og avlede parametere

Ellipsoiden er fullstendig parameterisert av halv-hovedaksen og utflatingen .

Parameter Symbol
Halv-større akse
Gjensidig av utflating

Fra og det er mulig å utlede halvminoraksen , den første eksentrisiteten og den andre eksentrisiteten til ellipsoiden

Parameter Verdi
Halvmindre akse
Første eksentrisitet i firkant
Andre eksentrisitet i kvadrat

Parametere for noen geodetiske systemer

De to viktigste referanse -ellipsoidene som brukes over hele verden er GRS80 og WGS 84.

En mer omfattende liste over geodetiske systemer finnes her .

Geodetisk referansesystem 1980 (GRS80)

GRS80 parametere
Parameter Notasjon Verdi
Halv-større akse 6 378 137  moh
Gjensidig av utflating 298.257 222 101

World Geodetic System 1984 (WGS 84)

Global Positioning System (GPS) bruker World Geodetic System 1984 (WGS 84) for å bestemme plasseringen av et punkt nær overflaten av jorden.

WGS 84 definerer parametere
Parameter Notasjon Verdi
Halv-større akse 6 378 137, 0 m
Gjensidig av utflating 298,257 223 563
WGS 84 avledede geometriske konstanter
Konstant Notasjon Verdi
Halvmindre akse 6 356 752 .3142 moh
Første eksentrisitet i firkant 6,694 379 990 14 x 10 -3
Andre eksentrisitet i kvadrat 6,739 496 742 28 × 10 −3

Datotransformasjon

Forskjellen i koordinater mellom data blir ofte referert til som datumforskyvning . Datoforskyvningen mellom to bestemte datums kan variere fra ett sted til et annet i et land eller en region, og kan være alt fra null til hundrevis av meter (eller flere kilometer for noen avsidesliggende øyer). Den Nordpolen , Sydpolen og Ekvator vil være i forskjellige posisjoner på ulike datum, så True North vil være litt annerledes. Ulike data bruker forskjellige interpolasjoner for den presise formen og størrelsen på jorden ( referanse -ellipsoider ). For eksempel, i Sydney er det 200 meter (700 fot) forskjell mellom GPS -koordinater konfigurert i GDA (basert på global standard WGS 84) og AGD (brukt for de fleste lokale kart), noe som er en uakseptabelt stor feil for noen applikasjoner, for eksempel som oppmåling eller sted for dykking .

Datokonvertering er prosessen med å konvertere koordinatene til et punkt fra ett nullsystem til et annet. Fordi undersøkelsesnettverkene som datums tradisjonelt var basert på er uregelmessige, og feilen i tidlige undersøkelser ikke er jevnt fordelt, kan datumkonvertering ikke utføres ved hjelp av en enkel parametrisk funksjon. For eksempel utføres konvertering fra NAD27 til NAD83 ved hjelp av NADCON (senere forbedret som HARN), et rasterrutenett som dekker Nord -Amerika, med verdien av hver celle som gjennomsnittlig justeringsavstand for området i breddegrad og lengdegrad. Datokonvertering kan ofte ledsages av en endring av kartprojeksjonen .

Diskusjon og eksempler

Et geodetisk referansedato er en kjent og konstant overflate som brukes til å beskrive plasseringen av ukjente punkter på jorden. Siden referansedata kan ha forskjellige radier og forskjellige midtpunkter, kan et bestemt punkt på jorden ha vesentlig forskjellige koordinater avhengig av nullpunktet som ble brukt for å gjøre målingen. Det er hundrevis av lokalt utviklede referansedatumer rundt om i verden, vanligvis referert til et praktisk lokalt referansepunkt. Samtidsdata, basert på stadig mer nøyaktige målinger av jordens form, er ment å dekke større områder. De vanligste referansedataene som brukes i Nord -Amerika er NAD27, NAD83 og WGS 84 .

Den nordamerikanske datoen fra 1927 (NAD 27) er "den horisontale kontrolldatoen for USA som ble definert av et sted og asimut på Clarke -sfæren fra 1866, med opprinnelse på (undersøkelsesstasjonen) Meades Ranch (Kansas) ." ... Den geoide høyden på Meades Ranch ble antatt å være null, ettersom tilstrekkelige tyngdekraftdata ikke var tilgjengelige, og dette var nødvendig for å knytte overflatemålinger til nullpunktet. "Geodetiske posisjoner på den nordamerikanske datoen fra 1927 ble avledet fra (koordinatene til og en asimut på Meades Ranch) gjennom en justering av trianguleringen av hele nettverket der Laplace -azimutene ble introdusert, og Bowie -metoden ble brukt." ( http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum ) NAD27 er et lokalt referansesystem som dekker Nord -Amerika.

Den nordamerikanske datoen fra 1983 (NAD 83) er "Den horisontale kontrolldatoen for USA, Canada, Mexico og Mellom -Amerika, basert på en geosentrisk opprinnelse og det geodetiske referansesystemet 1980 ( GRS80 )." Dette datoen, betegnet som NAD 83 ... er basert på justering av 250 000 punkter inkludert 600 satellittdopplerstasjoner som begrenser systemet til en geosentrisk opprinnelse. "NAD83 kan betraktes som et lokalt referansesystem.

WGS 84 er World Geodetic System fra 1984. Det er referanserammen som brukes av US Department of Defense (DoD) og er definert av National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) (tidligere Defense Mapping Agency, deretter National Imagery og Kartverket). WGS 84 brukes av DoD for alle sine kartleggings-, kartleggings-, kartleggings- og navigasjonsbehov, inkludert GPS "kringkasting" og "presise" baner. WGS 84 ble definert i januar 1987 ved bruk av Doppler satellittmålingsteknikker. Den ble brukt som referanseramme for kringkasting av GPS Ephemerides (baner) fra 23. januar 1987. Kl. 0000 GMT 2. januar 1994 ble WGS 84 oppgradert i nøyaktighet ved bruk av GPS -målinger. Det formelle navnet ble deretter WGS 84 (G730), siden oppgraderingsdatoen falt sammen med starten på GPS Uke 730. Det ble referanserammen for kringkastingsbaner 28. juni 1994. Kl. 0000 GMT 30. september 1996 (starten på GPS Uke 873) ble WGS 84 omdefinert igjen og var nærmere tilpasset International Earth Rotation Service (IERS) ramme ITRF 94. Den ble deretter formelt kalt WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) ble vedtatt som referanseramme for kringkastingsbaner 29. januar 1997. En annen oppdatering brakte den til WGS 84 (G1674).

WGS 84 -datoen, innen to meter fra NAD83 -datoen som ble brukt i Nord -Amerika, er det eneste verdensreferansesystemet som er på plass i dag. WGS 84 er standard standarddato for koordinater lagret i rekreasjons- og kommersielle GPS -enheter.

Brukere av GPS advares om at de alltid må sjekke datoen til kartene de bruker. For å angi, vise og lagre kartrelaterte kartkoordinater på riktig måte, må kartets nullpunkt legges inn i GPS -kartdato -feltet.

Eksempler

Eksempler på kartdatoer er:

Plate bevegelse

Jordens tektoniske plater beveger seg i forhold til hverandre i forskjellige retninger med hastigheter i størrelsesorden 50 til 100 mm (2,0 til 3,9 tommer) per år. Derfor er steder på forskjellige plater i bevegelse i forhold til hverandre. For eksempel øker lengdeforskjellen mellom et punkt på ekvator i Uganda, på den afrikanske platen , og et punkt på ekvator i Ecuador, på den søramerikanske platen med omtrent 0,0014 buesekunder per år. Disse tektoniske bevegelsene påvirker også breddegraden.

Hvis en global referanseramme (for eksempel WGS84 ) brukes, vil koordinatene til et sted på overflaten vanligvis endres fra år til år. De fleste kartleggingene, for eksempel i et enkelt land, strekker seg ikke over plater. For å minimere koordinatendringer for den saken, kan en annen referanseramme brukes, en hvis koordinater er festet til den aktuelle platen. Eksempler på disse referanserammer er " NAD83 " for Nord -Amerika og " ETRS89 " for Europa.

Se også

Fotnoter

Referanser

Videre lesning

  1. Liste over geodetiske parametere for mange systemer fra University of Colorado
  2. Gaposchkin, EM og Kołaczek, Barbara (1981) Referansekoordinatsystemer for Earth Dynamics Taylor & Francis ISBN  9789027712608
  3. Kaplan, Forståelse av GPS: prinsipper og applikasjoner , 1 utg. Norwood, MA 02062, USA: Artech House, Inc, 1996.
  4. GPS -notater
  5. P. Misra og P. Enge, Global Positioning System Signals, Measurements and Performance . Lincoln, Massachusetts: Ganga-Jamuna Press, 2001.
  6. Peter H. Dana: Oversikt over geodetisk dato - Stor mengde teknisk informasjon og diskusjon.
  7. US National Geodetic Survey

Eksterne linker