Лекция 2
Понятие об электронных картах. Горизонтальный датум.
1. Основные определения.
Морской навигационной карой называется плоское, математически определённое, уменьшенное, условно-знаковое изображение земной акватории с прилегающими участками суши, показывающее размещение, свойства, связи объектов и явлений, важных в навигационном отношении.
Основные виды данных карт.
- Пространственные данные (картографические, графические), представляют положение и форму географических и навигационно-гидрографических объектов, их пространственные связи с другими объектами.
- Описательные данные содержат: сведения о свойствах, характеристиках географических и навигационно-гидрографических объектов, заметки для мореплавателей и т.д.
- Метаданные – это общие сведения о наборе пространственных и описательных данных карт или коллекции карт. Метаданные могут включать: идентификатор выпускающего карту агентства, дату издания карты, масштаб карты, горизонтальный и вертикальный датумы, единицы измерения высот и глубин и т.д.
Составные части карты.
- Математическая основа карты –
- Картографическое изображение –
- Легенда карты –
Условные обозначения карты – это графические символы, применяемые на картах для изображения различных объектов, их качественных и количественных характеристик. Различают следующие основные типы условных обозначений:
- Внемасштабные знаки (точечные символы) – определяют объекты карты, которые слишком малы, чтобы показать его на экране линией или контуром, либо объекты, вообще не имеющие площадей, например, высшую точку горного массива.
- Масштабные обозначения (площадные и линейные)
|
|
- Пояснительные знаки.
Электронная карта (ЭК) представляет собой программно-управляемое картографическое изображение, визуализированное с использованием программных и технических средств в принятых для карт проекции и системе условных знаков.
2. Геодезическая основа ЭК.
Датумом (исходными геодезическими данными) в геодезии понимается совокупность параметров, которые характеризуют референц-эллипсоид и его расположение в теле Земли, определяют геодезические координаты и их связь с астрономическими координатами. Имеется три типа геодезических датумов – горизонтальный, вертикальный и комбинированный.
Горизонтальный датум определяет размеры и фигуру Земли, исходный пункт и ориентацию координатной системы, используемой при отсчёте горизонтальных координат на картах земной поверхности.
Вертикальный датум представляет собой уровенную поверхность с которой соотносятся высоты и/ или глубины и/ или береговая черта на карте. На навигационной карте такой датум может быть один (общий для высот, глубин и береговой линии), два (отдельно для высот с береговой чертой и для глубин), либо три (отдельно для высот, для глубин, для береговой черты). Вертикальный датум для батиметрических данных называется нулём глубины карты.
3. Понятие о геодезической системе отсчёта горизонтальных координат карты.
Горизонтальный геодезический датум представляет собой базис для геодезических съёмок и для отсчёта горизонтальных координат на карте.
В горизонтальный датум нередко включают следующие параметры: астрономические и геодезические широты и долготы исходного пункта геодезической сети, направление из исходной точки на один из смежных пунктов.
|
|
Обобщённо горизонтальный датум представляют 8-ю параметрами: два параметра описывают размеры референц-элипсоида, три параметра определяют позицию центра эллипсоида относительно центра Земли, остальные три параметра характеризуют ориентацию трёх осей эллипсоида относительно осей Земли.
Референц-эллипсоидом называют земной эллипсоид определённых размеров, являющийся вспомогательной математической поверхностью, к которой относят результаты всех геодезических измерений на поверхности Земли, на которую проектируют все пункты опорной геодезической сети и к которой относят топографические и гидрографические съёмки и составляемые по ним карты земной поверхности.
Астрономические и геодезические координаты. Для астрономических координат места на Земле одним из определяющих элементов является направление в этой точке отвесной линии (силы тяжести). Для геодезических координат вместо отвесной линии используется перпендикуляр (нормаль) к поверхности референц- эллипсоида в рассматриваемой точке.
Действительную поверхность суши и моря (на определённый момент времени) называют топографической поверхностью, она имеет весьма сложную форму. Для решения практических задач, где необходимо учитывать форму Земли, используют её различные модели: сфероид, эллипсоид, геоид.
Геоид – фигура Земли, ограниченная поверхностью, к которой отвесные линии всюду перпендикулярны, и которая проходит через точку начала отсчёта высот, закреплённую на высоте среднего уровня моря. Эта поверхность близка к уровням морей и океанов в состоянии покоя и равновесия. Два важных свойства геоида. В любой точке на его поверхности: потенциал гравитационного поля одинаков (равнопотенциальная поверхность); направление силы тяжести перпендикулярно поверхности геоида.
|
|
Земной эллипсоид. Ввиду крайне неравномерного распределения плотности масс в толще Земли поверхность геоида является очень сложной для описания. Поэтому для расчётов в картографии используют аппроксимацию геоида эллипсоидом вращения – «геометрической» моделью Земли. Эта модель применяется при вычислениях длин, площадей, геодезических широт, долгот, азимутов, для расчётов картографических проекций и других задач.
На поверхности эллипсоида вращения, в отличие от геоида, направление отвеса (силы тяжести Земли) не совпадает с направлением перпендикуляра (нормали) к поверхности эллипсоида. Расхождение между направлением отвесной линии (вертикали) и направлением нормали называется уклонением (погрешностью) отвеса (вертикали) в рассматриваемой точке. Погрешностью отвеса объясняется отличие между астрономическими и геодезическими координатами.
Земной параллелью называется линия на поверхности Земли, в которой значения широт равны.
Земной меридиан является геометрическим местом точек на поверхности Земли, в которых значение долготы одинаково.
Геодезическая широта точки – это угол между нормалью к поверхности референц- эллипсоида в этой точке и плоскостью геодезического экватора. Геодезическая параллель является окружностью на поверхности эллипсоида и лежит в плоскости, параллельной плоскости геодезического экватора.
Геодезическая долгота точки равна углу между проекцией нормали на плоскость геодезического экватора и плоскостью Гринвичского геодезического меридиана. Геодезический меридиан представляет собой линию, образованную пересечением поверхности эллипсоида с плоскостью, проходящей через ось вращения и рассматриваемую точку.
Астрономической широтой называется угол между отвесной линией и плоскостью небесного экватора.
Астрономическая долгота места – это угол между проекцией отвесной линии на плоскость небесного экватора и плоскостью небесного меридиана Гринвича.
Астрономические широта и долгота точки получаются непосредственно из наблюдений высот светил в горизонтной системе координат, определяемой отвесной линией. Геодезические координаты находятся по астрономическим данным путём коррекции погрешности отвесной линии.
Геодезические координаты также называют географическими координатами.
4. Виды горизонтальных геодезических координат.
Горизонтальные датумы могут простираться через континенты или охватывать только небольшую ограниченную территорию. Различают локальные, региональные и всемирные геодезические системы координат.
Локальны датумы лежат в основе геодезических референцных систем небольших участков земной поверхности. В качестве примера можно привести датум “Bissau Base North West and Pillar”.
Региональные геодезические системы относятся к обширным районам Земли. В качестве примеров таких систем координат можно назвать Советскую 1942 года (Pulkovo 1942), Европейский датум 1950 года (ED50), Британскую систему 1936 года, Токийский датум, Индийский датум, Новый североамериканский датум 1983 года (NAD83 – New North American Datum of 1983). Следует отметить, что если горизонтальный датум относится к территории государства, то он называется государственным или национальным.
Всемирный датум определяет геодезическую систему координат для всего земного шара. Примерами глобальных датумов являются американские геодезические референцные системы WGS72, WGS84 и российская система ПЗ90 (Soviet Geocentric Coordinate System `1990).
Всемирные датумы основываются на определённых с помощью спутниковых измерений эллипсоидах, оптимальных по критерию минимума отклонения от поверхности геоида в целом.
Используются и другие классификации для геодезических референцных систем. Например выделяют государственные, межгосударственные и международные горизонтальные датумы.
Полученные до 1950 года горизонтальные геодезические датумы были локальными или региональными, для создания которых использовались оптические средства, позднее радиотехнические системы высокой точности. Начиная с пятидесятых годов, эти геодезические системы стали не удовлетворять целям применения появившегося в те годы вооружения, которое требовало геодезическую систему отсчёта мирового масштаба. Введение в действие в конце пятидесятых годов навигационной спутниковой системы «Транзит» позволило в 1960 году Министерству Обороны США создать путём объединения на основе спутниковых наблюдений различных региональных геодезических сетей Мировую геодезическую референцную систему (Word Geodetic System of 1960 – WGS60). Эта система уточнялась в 1966, 1972, 1984 году. В настоящее время используется система координат WGS84, которая получила широкое распространение во всём мире. WGS84 принята за стандартную при расчётах позиций объектов в GPS.
5. Перевод данных карт из одного горизонтального датума в другой
Преобразование данных о позиции картографических объектов из одной геодезической референцной системы в другую носит название конвертирования (трансформации) датумов.
Конвертирование датумов в настоящее время выполняется различными методами. Количество используемых для этой цели переходных параметров, связывающих один датум сдругим, может быть от трёх до шести.
Для перевода данных из одного датума в другой созданы различные программные средства. Две из таких программ: MADTRAN и GEOTRANS-2.
Для трансформации локальных и региональных датумов в WGS84 и обратно МГО рекомендует использовать параметры эллипсоидов, значения переходных величин и формулы, приведенные в публикации этой организации S60 (User’s handbook on Datum transformations involving WGS84).
Один из способов преобразования координат объектов из одного датума в другой на основе трёх параметров <>X, <>Y, <>Z, где - смещение по прямоугольным координатам центра референц-эллипсоида датума В относительно центра референц- эллипсоида датума А.
Для пересчёта широты, долготы и высоты над эллипсоидом из одного датума в другой могут использоваться стандартные формулы профессора М.С.Молоденского, основанные на учёте трёх параметров <>X, <>Y, <>Z/
6. Пути улучшения отсчёта горизонтальных координат объектов на карте.
Основные усилия для улучшения решения вопросов, связанных с использованием координат объектов на поверхности Земли, направлены на устранение имеемых недостатков в этом отношении, Одними из них являются:
- Недостаточное качество катр;
- Использование карт с разными горизонтальными геодезическими основами.
Недостаточное качество карт определяется неточностью и низкой подробностью горизонтальных геодезических съёмок местности, на основе которых составлены навигационные карты.
Единственным методом устранения этого недостатка являются новые геодезические съёмки всех районов, где точность позиций объектов и подробность карты не удовлетворяет современным требованиям. Несмотря на большой прогресс в методах и аппаратуре для производства геодезических работ, решение этого вопроса в полном объёме требует много времени и значительных средств.
Многочисленность горизонтальных геодезических датумов.
Разность между позициями объектов в системе WGS84 и ПЗ90 не превышает 15 метров, а между положениями в WGS84 и WGS72 – 17 метров. Отличие в координатах Европейской геодезической системы и WGS84 достигает 85 метров, а координаты точек в Токийском датуме могут иметь расхождение с WGS84 до 350 метров.
Т.к. GPS, работающая в WGS84, стала основной для навигации морских судов, с 1982 г. при переиздании карт гидрографические службы ряда страндобавляют на картах поправки по широте и долготе для приведения GPS – определений к геодезическому датуму карты. Запись об этом обычно располагается около заголовка карты. Иногда невозможно выполнить с требуемой точностью перевод данных карты в современные геодезические системы. В таких случаях на бумажной карте может быть помещена информация о невозможности приведения к WGS84.