Лекция 3
1. Понятие о вертикальном геодезическом датуме.
Вертикальным датумом называется нулевая поверхность, от которой отсчитываются высоты и/или глубины на Земле. Обычно на картах для высот береговых объектов и батиметрических данных применяются разные вертикальные двтумы. Таких датумов может быть и три: для высот, для глубин, для береговой черты. Это определяется с одной стороны практической целесообразностью, а с другой – трудностью учёта ряда факторов.
Для отсчёта высот топографических объектов обычно используется поверхность геоида, которая проходит через точку начала отсчёта высот, закрепленную на высоте среднего уровня моря.
Для измерения глубин и высот осыхающих объектов в качестве вертикального датума применяются нули глубин карты, соответствующие тому или иному уровню моря (для морей с приливами – обычно уровни малых вод).
Традиционно в разных странах для целей определения высот и глубин в картографии производится привязка к согласованному по определённым правилам уровню моря, который принимается за ноль высот и/или глубин. Поскольку на высоту поверхности моря влияют приливообразующие силы Луны и Солнца, то уровень, принимаемый за нулевой, определяется обычно по наблюдениям за период 18,6 или 19лет. Этот промежуток выбран на том основании, что большой цикл изменения приливообразующих сил Луны равен 18,6 гола, а солнечных – 1 год.
2. Виды вертикальных датумов.
Приливные уровни, принимаемые при составлении карт за ноль высот/глубин в разных странах, отличаются. Это может быть:
- Средний уровень моря (MSL – mean sea level);
- Наинизший из возможных по астрономическим причинам уровень (LAT – lowest astronomical tide);
- Средняя малая вода (MLW – mean low water);
- Средняя малая вода в сизигию (MLWS - mean low water springs);
- Наинизшая вода в сизигию (lowest low water springs);
- И другие приливные уровни.
В настоящее время существует достаточно много вертикальных датумов. Например, исходным значением вертикального датума России и Украины является ноль Кронштадского футштока, совпадающий со средним уровнем Балтийского моря за период 1825 – 1840 годов. Проходящая через эту точку поверхность геоида определяет систему отсчёта высот объектов на территориях этих стран.
Ноль глубин. За начало отсчёта глубин в морях без приливов, а также там, где средняя амплитуда приливов меньше 50 см, принимается средний многолетний уровень моря.
На морях с приливами, где средняя амплитуда приливов равна или превышает 50 см. датумом глубин является наинизший теоретический уровень (теоретический ноль), соответствующий наинизшему из возможных по астрономическим причинам (LAT).
Ноль высот. Высоты объектов на морских картах для морей без приливов даются относительно среднего уровня моря. Таким образом, для морей без приливов датумы для высот и для глубин совпадают.
Для морей с приливами датум высот отличается от нуля глубин. В морях с приливными явлениями высоты отсчитываются от уровня полных сизигийных вод
3. Совершенствование отсчёта вертикальных координат.
Для морского судовождения наиболее актуальным является вопрос качества данных глубин акваторий. Работы проводимые для улучшения знания глубин, направлены на устранение имеемых в этом отношении недостатков. Основные из них:
- Недостаточная точность и подробность батиметрических данных карт:
- Несовершенство современных методов учёта влияния приливных явлений на глубины:
- Использование карт с разными датумами глубин.
Недостаточная точность и подробность батиметрических данных. Причина – недостатки промерных работ, на которых основаны карты. Главный путь устранения рассматриваемого недостатка – выполнение высококачественных промерных работ в районах, где информация о глубинах не удовлетворяет современным требованиям.
Несовершенство учёта приливных явлений. Улучшение решения вопросов, связанных с получением полной информации о глубинах на подходах к портам, проводится путём создания специальных математических моделей уровня, позволяющих для любого места на подходной карте либо на карте гавани рассчитать на заданное время с требуемой точностью глубину моря.
В действующих требованиях МГО к ЭКДИС определено, что на отображаемых картах значения глубин не должны исправляться высотой прилива. Это объясняется тем, что в морях с приливами отсчитываемые от нуля карты значения текущего уровня моря в процессе его колебания под действием приливообразующих сил. Поэтому при недостаточном качестве имеемой информации о глубинах, показ батиметрических данных от нуля глубин карты потенциально мене опасен отображения их значений от текущего (либо на заданный момент) уровня.
Различие вертикальных датумов. В настоящее время создана специальная международная группа для решения вопросов, связанных с разработкой единого международного вертикального датума.
Национальным картографическим агентством ВМС США (NIMA), с помощью GPS были проведены измерения отклонений по высоте объектов на Земле от поверхности
эллипсоида WGS84; рассчитаны и опубликованы значения вертикальных отклонений геоида от эллипсоида WGS84 с шагом 0.25 градуса по широте и долготе.
Таким образом, NIMA был получен первый основанный на геоиде (Earth Geoid Model – EGM) комбинированный датум – WGS84-EGM96 для отсчёта горизонтальных и вертикальных координат.
4. Проекции морских навигационных электронных карт.
Морские навигационные ЭК обычно отображаются в проекции Меркатора. В отдельных случаях карты представляются в гномонической проекции.
Меркаторская проекция – это равноугольная цилиндрическая проекция, предложенная в 16 веке фламандцем Г.Кремером (Меркатором) и используемая до сих пор. Различают нормальную, поперечную и наклонную меркаторские проекции. Из них для представления навигационных ЭК в основном применяются две первые. С точки зрения судовождения главными достоинствами меркаторских
проекций являются:
- возможность измерять натуральные, неискажённые углы:
- зависимость частных масштабов только от положения точки, но не от направления измеряемой по небольшим частям искомой длины.
Нормальная проекция Меркатора (НПМ) относится к классу цилиндрических равноугольных проекций. В который параллели и меридианы являются взаимно перпендикулярными параллельными прямыми, а расстояния между меридианами пропорциональны соответствующим разностям долгот. Эта проекция используется для построения ЭК в диапазоне от 0 до 85 градусов. Околополюсные районы в ней не могу быть отображены. Наибольшим достоинством НПМ для целей судовождения является представление локсодромии прямой линией.
НПМ получается проектированием земного эллипсоида на боковую поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по линии экватора. Ось этого цилиндра совпадает с осью Земли. Затем боковая поверхность цилиндра разрезается по образующей и разворачивается на плоскость.
В НПМ меридианы являются прямыми параллельными линиями, перпендикулярными к экватору. На поверхности цилиндра проекции меридианов проходят через точки касания земных меридианов с цилиндром, перпендикулярно к плоскости экватора.
Земные параллели в НПМ – также прямые линии, перпендикулярные к меридианам. Ввиду того, что на земном эллипсоиде меридианы сходятся с приближением к полюсам, с ростом широты длина земной параллели становится меньше. В результате масштаб проекции по параллели в НПМ увеличивается с ростом широты.
В НПМ расстояние по меридиану от экватора до параллели определённой широты, выраженное в экваториальных милях, называется меридиональной частью (МЧ) этой параллели. Расстояние между двумя параллелями называется разностью меридиональных частей (РМЧ). Ввиду увеличения масштаба с широтой, величина РМЧ, соответствующая одинаковому значению разности широт, с ростом широты в НПМ увеличивается.
В НИС для расчёта экранных координат в качестве упрощённых приближений к меркаторской проекции используются линейное и таблично-интерполяционное.
Линейное приближение к НПМ применяется при построении крупномасштабных карт. В его основе лежит представление о Земле как о шаре с радиусом R, при котором одна минута дуги меридиана равняется одной морской миле.
Таблично-интерполяционное приближение к НПМ используется при отображении мелкомасштабных карт, когда линейное приближение не обеспечивает требуемой точности.
Поперечная проекция Меркатора (ППМ) применяется для создания ЭК околополюсных районов Земли в диапазоне широт от 80 до 90 градусов. Земной эллипсоид в этом случае проектируется на поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по меридиану. Ось такого цилиндра перпендикулярна оси Земли.
5. Форматы данных электронных карт.
Понятие об информационном формате. В общем случае под форматом понимается структура информационного объекта.
Формат данных представляет собой набор правил, соглашений, стандартов для записи и хранения информации. Форматы, используемые для представления данных в файлах, делятся на текстовые, графические и комбинированные (метафайлы).
Представление графических данных в компьютере можно разделить на две большие ветви: растровую и векторную.
Растровые форматы. Растры представляют изображение в виде точек. В их основе лежит битовая карта (матрица), на пересечении строк и столбцов которой располагаются элементы изображения – пиксели. Преимущество – простота концепции.
Векторные форматы служат для хранения сведений о векторных изображениях, которые представляют собой совокупность геометрических примитивов: точек, линий, овалов, прямоугольников, дуг и др.
Комбинированные форматы (метафайлы) предназначены для хранения информации о тексте, о растровых и векторных изображениях и о командах визуализации.
Конвертирование форматов – преобразование данных из одного формата в другой, воспринимаемый иной системой (как правило при импорте или экспорте данных).
Электронные навигационные карты, для записи и хранения изображения которых использованы растровые форматы, получили название растровых навигационных карт.
Карты, для записи и хранения пространственных данных которых применяются векторные форматы, именуют векторными навигационными картами.
Для обмена картографической информацией между Гидрографическими организациями, производителями ЭКДИС и мореплавателями МГО разработан формат S57. В настоящее время основным форматом для обмена официальной картографической информацией является издание 3.1 формата S57, в котором пространственные данные карт представлены в векторном виде. Данный формат создан обмена цифровой картографической информацией, а не для целей синтеза карт в НИС.
Согласно публикации S57 производители ЭК свободны создавать свои внутри системные форматы, соответствующие задачам, решаемым конкретной ЭКДИС.
В любом случае ЭКДИС должна иметь возможность приёма данных от гидрографической службы в формате S57/3.1 и конвертации их во внутренний формат.
6. Разграфка электронных карт.
Разграфкой (нарезкой) бумажных карт называется система деления изображения земной поверхности на листы отдельных карт.
Для ЭК термин разграфка имеет похожий, но несколько иной смысл. Это скорее означает не разбиение изображения земной поверхности на отдельные листы карт, а деление данных в базах в соответствии с той или иной нарезкой земной поверхности на ячейки. Под ячейкой обычно понимается элемент разбиения земной поверхности линиями регулярной сети, чаще всего отрезками меридианов и параллелей.
Основными виды разграфки, применяемые для ЭК:
- Нарезка гидрографических служб для бумажных карт:
- Равномерная разграфка предложенная МГО:
- Нарезка гидрографических служб для ЭНК и др.
7. Классификация электронных карт.
ЭНК классифицируются по различным признакам.
В зависимости от полноты информации представляемой на карте, ЭК разделяют на полномерные и упрощённые (стилизованные).
В зависимости от юридического статуса ЭК разделяются на официальные и неофициальные карты.
В зависимости от метода цифрового представления изображения карты в памяти ЭК делятся на растровые и векторные.
В зависимости от масштаба (назначения карты) МГО для официальных векторных карт, используемых в ЭКДИС, установила следующую классификацию:
- карты мира (World) – 1:2500001 и меньше;
- генеральные карты (General) – 1:300001-1:2500000:
- прибрежные карты (Coastal) – 1:80001-1:300000;
- подходные карты (Approach) – 1:40001-1:80000;
- гавани (Harbour) – 1:10001-1:40000;
-планы (Plan) – 1:10000 и крупнее.