Современные представления о форме и размерах Земли.

В геодезии форму Земли определяют как тело, ограниченное уровенной поверхностью. Уровенная поверхность – поверхность, которая пересекает отвесные линии под прямым углом. Идеальную фигуру, ограниченную уровенной поверхностью называют геоидом и принимают за общую фигуру Земли.Вследствие особой сложности, геометрической направленности геоида его заменяют другой фигурой – эллипсоидом, который получается от вращения эллипса вокруг его малой оси PP1. (a=6378245м; b=6356863м; сжатие a=(a-b)/a=1/298,3; R=6371,11км).

Плоские изображения участков земной поверхности.

Уменьшенное изображение на бумаге горизонтальной проекции небольшого участка местности называется планом.На плане местность изображается без заметных искажений, так как небольшой участок поверхности можно принять за плоскость.Картой называется уменьшенное изображение на бумаге горизонтальной проекции участка земной поверхности в принятой картографической проекции, то-есть, с учетом кривизны поверхности относимости. При проэктировании небольших участков земной поверхности малую часть уровенной поверхности можно заменить плоскостью. В этом случае отвесные линии параллельны между собой и горизонтальная проэкция земной поверхности преобразуется в ортогональную проекцию. Проекция линии местности на горизонтальную плоскость называется горизонтальным проложением. Формула гориз пролож(s=S*cosv). В геодезии также применяется центральная и картографическая проэкции.

Географическая система координат.

Положение точки на поверхности Земли определяется двумя координатами - широтой и долготой. Геодезическая сист коорд относится к поверхности эллипсоида вращения. Геодез широта(В) – угол между нормалью и плоскостью экватора. 0º≤В≤90º Геодез долгота (L) – угол между плоскостью начального меридиана(Гринвича) и плоскостью меридиана данной точки. Долготы изменяются от 0º до 180º, к западу от Гринвича - западные и к востоку - восточные. Все точки одного меридиана имеют одинаковую долготу. Астрономическая СК относится к поверхности сферы. Астроном широта(φ) – угол между между отвесом и плоскостью экватора. Астроном долгота (λ) – угол между плоскостью меридиана данной точки и плоскостью начального меридиана. 0º≤φ≤90º 0º≤λ≤180º

Сближение меридианов.

Угол между полуденными линиями двух точек, лежащих на одной параллели, называется сближением меридианов этих точек.γ = Δ λ * Sin(φ) Сближение меридианов двух точек, лежащих на одной широте, равно разности долгот этих точек, умноженной на синус широты.

Понятие о равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера.

Сущность этой проекции заключается в следующем.

1.Земной эллипсоид меридианами разбивается на шести и трехградусные зоны. Средний меридиан называют осевым. Нумерация зон ведется на восток. Осевые меридианы лежат на внутренней поверхности цилиндра, в котором сферическая поверхность разбивается на отдельные участки(всего 60).

2.Каждая зона в отдельности конфермно проектируется на плоскость таким образом, чтобы осевой меридиан изображался прямой линией без искажений (т.е. с точным сохранением длин вдоль осевого меридиана). Экватор также изобразится прямой линией. За начало счета координат в каждой зоне принимается пересечение изображения осевого меридиана – оси абсциссе х и экватора – оси ординат у. Линии, параллельные осевому меридиану и экватору образуют прямоугольную координатную сетку.

3.Искажения длин линии в проекции Гаусса-Крюгера возрастают по мере удаления от осевого меридиана пропорционально квадрату ординаты. Эти искажения на краях шестиградусной зоны могут достигать величины порядка 1/1500 длины линии, а в трехградусной зоне 1/6000. Для отрезка с координатами конечных точек х1у1 и х2у2, формула поправки за искажение длины линии на плоскости имеет вид, где и R- средний радиус кривизны.В съемках крупного масштаба такими искажениями пренебрегать нельзя. В этом случае, при расположении участка на краю зоны, следует или учитывать искажения, или применять частную систему координат с осевым меридианом, проходящим примерно через середину участка работ.

картографическая проекция , разработанная немецкими учёными Карлом Гауссом и Луи Крюгером . Применение этой проекции даёт возможность практически без существенных искажений изобразить довольно значительные участки земной поверхности и, что очень важно, построить на этой территории систему плоских прямоугольных координат . Эта система является наиболее простой и удобной при проведении инженерных и топографо-геодезических работ .

Принцип и применение

Пример алгоритма перевода из географических координат в прямоугольные приведен в Викиучебнике .

В результате исследований было установлено, что оптимальные размеры территории изображения должны ограничиваться меридианами , отстоящими друг от друга на 6° (хотя в принятой в Германии первоначальной версии этой проекции меридианы отстоят на 3°). Эта фигура получила название сфероидального двуугольника . Его размеры: 180° по широте (от полюса до полюса), и 6° по долготе. Несмотря на то, что площадь зоны в проекции (зоны Гаусса) будет увеличенной, относительные искажения длин в отдалённых от среднего меридиана точках экватора на границе зоны составит 1/800. Максимальные искажения длин в пределах зоны составляет +0,14 %, а площадей - +0,27 %, а в пределах России - ещё меньше (примерно 1/1400). Таким образом, искажения длин и площадей в пределах зоны меньше, чем искажения, возникающие при печати карты за счёт деформации бумаги. Изображение зоны в проекции Гаусса практически не имеет искажений и допускает любые карто- и морфометрические работы.

Главным образом прямоугольная система координат используется в военном деле . На ней основана военная топография .

Точкой отсчёта принимается пересечение выбранного осевого меридиана с экватором . Для этого вся земная поверхность разбита на зоны ограниченные меридианами отстоящими друг от друга на 6°, с порядковой нумерацией начиная от Гринвичского меридиана на восток. Всего 60 зон. К примеру 8-я зона находится между меридианами 42° и 48° восточной долготы , а 58-я зона соответственно находится между меридианами 12° и 18° западной долготы .

В пеших путешествиях и велопоездках незаменимым спутником исследователя является топографическая карта. Одной из задач картографии (одной из дисциплин такой науки как геодезия ) является изображение криволинейной поверхности Земли (фигуры Земли) на плоской карте. Для решения этой задачи необходимо выбрать эллипсоид — форму трехмерного тела, приближенно соответствующего земной поверхности, датум — начальную точку системы координат (центр эллипсоида) и начальный меридиан (англ. prime meridian ) и проекцию — способ изображения поверхности этого тела на плоскости.

Эллипсоиды и датумы

В разное время для построения карт использовались различные варианты представления поверхности Земли в виде сферы или эллипсоида.

Представление Земли в виде сферы радиусом 6378137 метра (либо 6367600 метров) позволяет определить координаты любой точки на земной поверхности в виде двух чисел — широты $\phi$ и долготы $\lambda$:

Для земного эллипсоида в качестве (географической) широты используется понятие геодезическая широта (англ. geodetic latitude ) φ — угол, образованный нормалью к поверхности земного эллипсоида в данной точке и плоскостью его экватора, причем нормаль не проходит через центр эллипсоида за исключением экватора и полюсов:

Значение долготы (англ. longitude ) λ зависит от выбора начального (нулевого) меридиана для эллипсоида.
В качестве параметров эллипсоида обычно используются радиус большой (экваториальной) полуоси a и сжатие f .
Сжатие $f = {{a-b} \over a}$ определяет сплюснутость эллипсоида у полюсов.

Одним из первых эллипсоидов был эллипсоид Бесселя (Bessel ellipsoid, Bessel 1841 ), определенный из измерений в 1841 году Фридрихом Бесселем (Friedrich Wilhelm Bessel ), с длиной большой полуоси a = 6377397,155 м и сжатием f = 1:299,152815 . В настоящее время он используется в Германии, Австрии, Чехии и некоторых азиатских и европейских странах.

датум Potsdam (PD)

Ранее для построения карт в проекции UTM использовался международный эллипсоид (International ellipsoid 1924 , Hayford ellipsoid ) с длиной большой (экваториальной) полуоси a = 6378388 м и сжатием f = 1:297,00 , предложенный американским геодезистом Джоном Филлмором Хейфордом ( в 1910 году.

Джон Филлмор Хейфорд

датум ED 50 (European Datum 1950 )

  • эллипсоид — International ellipsoid 1924
  • Greenwich prime meridian )

Для выполнения работ на всей территории СССР с 1946 года (постановление Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 г. № 760) использовалась геодезическая система координат СК-42 (Пулково 1942) , основанная на эллипсоиде Красовского с длиной большой (экваториальной) полуоси a = 6378245 м и сжатием f = 1:298,3 . Этот референц-эллипсоид назван в честь советского астронома-геодезиста Феодосия Николаевича Красовского. Центр этого эллипсоида сдвинут по отношению у центру масс Земли примерно на 100 метров для максимального соответствия поверхности Земли на европейской территории СССР.

датум Пулково-1942 (Pulkovo 1942)

  • эллипсоид — Красовского (Krassowsky 1940 )
  • нулевой меридиан — гринвичский меридиан (Greenwich prime meridian )

В настоящее время (в том числе и в системе GPS ) широко используется эллипсоид WGS84 (World Geodetic System 1984) с длиной большой полуоси a = 6378137 м, сжатием f = 1:298,257223563 и эксцентрисетом e = 0,081819191 . Центр этого эллипсоида совпадает с центром масс Земли.

датум WGS84 (EPSG:4326)

  • эллипсоид — WGS84
  • нулевой меридиан — опорный меридиан (IERS Reference Meridian (International Reference Meridian)) , проходящий в 5,31″ к востоку от Гринвичского меридиана. Именно от этого меридиана отсчитывается долгота в системе GPS (англ. GPS longitude )

Центр системы координат WGS84 совпадает с центром масс Земли, ось Z системы координат направлена на опорный полюс (англ. IERS Reference Pole (IRP)) и совпадает с осью вращения эллипсоида, ось X проходит по линии пересечения нулевого меридиана и плоскости, проходящей через точку начала координат и перпендикулярную к оси Z , ось Y перпедикулярна оси X .


Альтернативой эллипсоиду WGS84 является эллипсоид ПЗ-90 , используемый в системе ГЛОНАСС , с длиной большой полуоси a = 6378136 м и сжатием f = 1:298,25784 .

Преобразования датумов

При простейшем варианте перехода между датумами Пулково-1942 и WGS84 необходимо учитывать только смещение центра эллипсоида Красовского по отношению к центру эллипсоида WGS84 :
рекомендовано в ГОСТ 51794-2001 —
dX = +00023,92 м; dY = –00141,27 м; dZ = –00080,91 м;
рекомендовано в World Geodetic System 1984 . NIMA, 2000 —
dX = +00028 м; dY = –00130 м; dZ = –00095 м.
Следует отметить, что выше приведены усредненные значения коэффициентов, которые для более точного преобразования должны вычисляться для каждой точки земной поверхности индивидуально. Например, для соседней с Беларусью Польшей эти параметры таковы:
dX = +00023 м; dY = –00124 м; dZ = –00082 м (по данным )
Такое преобразование называется трехпараметрическим .
При более точной трансформации (преобразовании Молоденского ) необходимо учитывать разницу между формами эллипсоидов, определяемую двумя параметрами:
da — разница между длинами больших полуосей, df — разница между коэффициентами сжатия (разница в уплощении). Их значения одинаковы для ГОСТ и NIMA :
da = – 00108 м; df = + 0,00480795 ⋅ 10 -4 м.

При переходе между датумами ED 50 и WGS84 параметры преобразования таковы:
da = – 00251 м; df = — 0,14192702 ⋅ 10 -4 м;
для Европы dX = -87 м; dY = –96 м; dZ = –120 м (по данным User’s Handbook on Datum Transformations involving WGS-84, 3-е издание, 2003 ).

Набор из указанных пяти параметров (dX , dY , dZ , da , df ) может вводиться в навигатор или навигационную программу в качестве характеристики используемого пользователем датума.

Проекции

Способ изображения трехмерной земной поверхности на двумерной карте определяется выбранной картографической проекцией .
Наиболее популярны (нормальная ) цилиндрическая проекция Меркатора и такая ее разновидность как поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора (Transverse Mercator ).

В отличие от известной в течение веков нормальной проекции Меркатора, которая особенно хороша для изображения экваториальных областей, поперечная проекция отличается тем, что цилиндр, на который проецируется поверхность планеты, повернут на 90°:

Цилиндрическая проекция Меркатора

Сферическая проекция Меркатора

Для сферической проекции действуют следующие формулы перевода широты $\phi$ и долготы $\lambda$ точки на поверхности земной сферы (в радианах) в прямоугольные координаты $x$ и $y$ на карте (в метрах):
$x = (\lambda — {\lambda}_0) \cdot R$ ;
$y = arcsinh (\tan (\phi)) \cdot R =\ln { (\tan{ ({\phi \over 2} + {\pi \over 4} }) }) \cdot R$
(logarithmic tangent formula ) ,
где $R$ — радиус сферы, ${\lambda}_0$ — долгота нулевого меридиана.
Масштабный коэффициент $k$ представляет собой отношения расстояния по сетке карты (англ. grid distance ) к локальному (геодезическому) расстоянию (англ. geodetic distance ):
$k = {1 \over {\cos \phi}}$.
Обратный перевод реализуется с помощью таких формул:
$\lambda = {x \over R} + {\lambda}_0 $ ;
$ \phi = {\pi \over 2} — 2 \arctan(e^{-y \over R}) $ .
Важной для мореплавания особенностью проекции Меркатора является то, что линия румба (англ. rhumb lines ) или локсодрома (англ. loxodrome ) на ней изображается прямой линией.
Локсодрома — это дуга, пересекающая меридианы под одним и тем же углом, т.е. путь с постоянным (локсодромическим ) путевым углом.
Путевой угол , ПУ (англ. heading ) - это угол между северным направлением меридиана в месте измерения и направлением линии пути, отсчитывается по часовой стрелке от направления на географический север (0° применяется для указания направления движения на север, 90° — на восток).
Локсодромы являются спиралями, совершающими неограниченное число витков, приближаясь к полюсам.


Следует отметить, что локсодрома не является кратчайшим путем между двумя точками — ортодромой, дугой большого круга , соединяющей эти точки.

Web Mercator

Вариант меркаторовской сферической проекции используется многими картографическими сервисами, например, OpenStreetMap, Google Maps, Bing Maps.


В OpenStreetMap карта мира представляет собой квадрат с координатами точек по осям x и y , лежащими между -20 037 508,34 и 20 037 508,34 м. Как следствие, на такой карте не показаны области, лежащие севернее 85,051129° северной широты и южнее 85,051129° южной широты. Это значение широты $\phi_{max}$ является решением уравнения:
$\phi_{max} = 2\arctan(e^\pi) — {\pi\over 2} $ .
Как и любой карте, составленной в проекции Меркатора, ей свойственны искажения площадей, наиболее ярко проявляющиеся при сравнении изображенных на карте Гренландии и Австралии:

При прорисовке карты в OpenStreetMap координаты (широта и долгота) на эллипсоиде в системе WGS84 проецируются на плоскость карты так, как будто эти координаты определены на сфере радиусом R = a = 6 378 137 м (перепроецирование) — сферическое представление эллипсоидальных координат («spherical development of ellipsoidal coordinates «). Этой проекции, получившей название Web Mercator ) соответствует EPSG (European Petroleum Survey Group ) код 3857 («WGS 84 / Pseudo-Mercator «).
Перепроецирование из EPSG:4326 в EPSG:3857 ($\phi ,\lambda \rightarrow x,y $) реализуется по вышеприведенным формулам для обычной сферической проекции Меркатора.
На такой карте направление на север всегда соответствуют направлению на верхнюю сторону карты, меридианы представляют собой равноотстоящие друг от друга вертикальные линии.
Но такая проекция в отличие от сферической или эллиптической проекции Меркатора не является равноугольной (конформной ), линии румба в ней не являются прямыми. Линия румба (локсодром ) — это линия пересекающая меридианы под постоянным углом.
Преимуществом рассматриваемой проекции является простота вычислений.

В указанной проекции карта может быть расчерчена прямоугольной сеткой координат (по значениям долготы и широты).
Привязку карты (сопоставление прямоугольных координат на карте и географических координат на местности) можно осуществить по $N$ точкам с известными координатами. Для этого необходимо решить систему из $2 N$ уравнений вида
$X = \rho_{\lambda} \lambda — X_0$ , $Y = arcsinh (\tan (\phi)) \cdot \rho_{\phi} — Y_0 $ .
Для решения системы уравнений и определения значений параметров $X_0$ , $Y_0$ , $\rho_{\lambda}$ , $\rho_{\phi}$ можно использовать, например, математический пакет Mathcad .
Для проверки правильности привязки карты можно определить отношение длин сторон прямоугольника построенной сетки. Если горизонтальная и вертикальная стороны прямоугольника соответствуют одинаковой угловой длине по долготе и широте, то отношение длины горизонтальной стороны (дуги параллели — малого круга) к длине вертикальной стороны (дуги меридиана — большого круга) должно быть равно $\cos \phi$ , где $\phi$ — географическая широта места.

Эллиптическая проекция Меркатора

Эллиптическая проекция Меркатора (EPSG:3395 — WGS 84/World Mercator ) используется, например, сервисами Яндекс.Карты , Космоснимки.
Для эллиптической проекции действуют следующие формулы перевода широты $\phi$ и долготы $\lambda$ точки на поверхности земной сферы (в радианах) в прямоугольные координаты $x$ и $y$ на карте (в метрах):
$x = (\lambda — {\lambda}_0) \cdot a$ ;
$y = a \ln (\tan ({\pi \over 4} + {\phi \over 2}) ({{1 — e \sin {\phi}} \over {1 + e \sin {\phi}}})^{e \over 2}) $ ,
где $a$ — длина большой полуоси эллипсоида, $e$ — эксцентриситет эллипсоида, ${\lambda}_0$ — долгота нулевого меридиана.
Масштабный коэффициент $k$ определяется выражением:
$k = {{\sqrt {(1 — {e^2} {{(\sin \phi)}^2})}} \over {\cos \phi}} $ .
Обратный перевод реализуется с помощью таких формул:
$\lambda = {x \over a} + {\lambda}_0 $ ;
$ \phi = {\pi \over 2} — 2 \arctan(e^{-y \over a} ({{1 — e \sin {\phi}} \over {1 + e \sin {\phi}}})^{e \over 2}) $ .
Широта вычисляется по итерационной формуле, в качестве первого приближения следует использовать значение широты, вычисленной по формуле для сферической проекции Меркатора.

Поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора

Чаще всего используются две разновидности поперечно-цилиндрической проекции Меркатора — проекция Гаусса-Крюгера (англ. Gauss — Krüger ) (получила распространение на территории бывшего СССР) и универсальная поперечная проекция Меркатора (англ. Universal Transverse Mercator (UTM )).
Для обеих проекций цилиндр, на который происходит проекция, охватывает земной эллипсоид по меридиану, называемому центральным (осевым) меридианом (англ. central meridian, longitude origin) зоны. Зона (англ. zone ) - это участок земной поверхности, ограниченный двумя меридианами с разностью долготы в 6°. Всего существует 60 зон. Зоны полностью покрывают поверхность Земли между широтами 80°S и 84°N.
Отличие двух проекций заключается в том, что проекция Гаусса-Крюгера — это проекция на касательный цилиндр, а универсальная поперечная проекция Меркатора — это проекция на секущий цилиндр (для избежания искажений на крайних меридианах):

Проекция Гаусса-Крюгера

Проекция Гаусса-Крюгера была разработана немецкими учёными Карлом Гауссом и Луи Крюгером.
В этой проекции зоны нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 0°. Например, зона 1 простирается с меридиана 0° до меридиана 6°, ее центральный меридиан 3°.
В советской системе разграфки и номенклатуры топографических карт зоны называются колоннами и нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 180°.
Например, Гомель и окрестности относятся к зоне 6 (колонне 36 ) с центральным меридианом 33°.
Зоны/колонны делятся параллелями на ряды (через 4°), которые обозначаются заглавными латинскими буквами от А до V , начиная от экватора к полюсам.
Например, Гомель и окрестности относятся к ряду N . Таким образом, полное название листа карты масштаба 1:1 000 000 (10 км в 1 см), изображающей Гомель, выглядит как N-36 . Этот лист делится на листы карт более крупного масштаба:


Для Беларуси и соседних стран разграфка такова:

Для определения по топографической карте положения точки на карту наносят сетку прямоугольных координат X и Y , выраженных в километрах. Она образована системой линий, параллельных изображению осевого меридиана зоны (вертикальные линии сетки, оси X ) и перпендикулярных к нему (горизонтальные линии сетки, оси Y ).
На карте масштаба 1:200 000 расстояние между линиями сетки составляет 4 км; на карте масштаба 1:100 000 - 2 км.
Координата X подписывается на вертикальных краях листа карты и выражает расстояние до экватора, а координата Y подписывается на горизонтальных краях листа карты и состоит из номера зоны (первые одна или две цифры значения) и положения точки относительно центрального меридиана зоны (последние три цифры значения, причем центральному меридиану зоны присваивается значение 500 км).


фрагмент листа N36-123 советской топографической карты масштаба 1:100 000

Например, на вышеприведенном фрагменте карты надпись 6366 возле вертикальной линии сетки означает: 6 — 6-я зона, 366 — расстояние в километрах от осевого меридиана, условно перенесенного западнее на 500 км, а надпись 5804 возле горизонтальной линии сетки означает расстояние от экватора в километрах.

Универсальная поперечная проекция Меркатора

Универсальная поперечная проекция Меркатора (UTM ) была разработана инженерными войсками США (United States Army Corps of Engineers ) в 1940-х годах.

Для построения карт в проекции UTM ранее использовался эллипсоид International 1924 — сетка UTM (International) , а в настоящее время — эллипсоид WGS84 — сетка UTM (WGS84) .
В этой проекции зоны нумеруются с запада на восток, начиная с меридиана 180°.
Эта система используется вооруженными силами США и НАТО (англ. United States and NATO armed forces ):

Каждая зона разделена на горизонтальные полосы через каждые 8° широты. Эти полосы обозначены буквами, с юга на север, начиная от буквы C для широты 80° S и заканчивая буквой X для широты 84° N . Буквы I и O пропущены для избежания путаницы с цифрами 1 и 0. Полоса, помеченная буквой X , занимает 12° по широте.
Зона в этой проекции обозначается номером (англ. longitude zone ) и буквой (каналом широты, англ. latitude zone ):


На этом рисунке видны две нестандартные зоны долготы — зона 32V расширена для покрытия всей южной Норвегии, а зона 31V сокращена для покрытия только водного пространства.
Для Гомеля и окрестностей зона обозначается как 36U с центральным меридианом 33°:

Зона покрывается прямоугольной (километровой) сеткой (сеткой по универсальной поперечной проекции Меркатора, СУППМ):


Длина стороны квадрата сетки в вышеприведенном фрагменте карты составляет 10 км.

Точка начала системы координат для каждой зоны определяется пересечением экватора и центрального меридиана зоны.
Координата E (Easting ) на такой сетке представляет собой расстояние на карте от центрального меридиана в метрах (к востоку — положительное, к западу — отрицательное), к которому прибавлено + 500 000 метров (англ. False Easting
Координата N (Northing ) на такой сетке представляет собой расстояние на карте от экватора в метрах (к северу — положительное, к югу — отрицательное), причем в южном полушарии это расстояние вычитается из 10 000 000 метров (англ. False Northing ) для избежания появления отрицательных значений.
Например, для левого нижнего угла квадрата сетки на вышеприведенной карте координаты записываются как
36U (либо 36+ ) 380000 5810000 ,
где 36 — longitude zone , U — latitude zone , 380000 — easting , 5810000 — northing .

Преобразование широты и долготы в координаты UTM поясняется рисунком:


P — рассматриваемая точка
F — точка пересечения перпендикуляра, опущенного на центральный меридиан из точки P , с центральным меридианом (точка на центральном меридиане с тем же самым northing , что и рассматриваемая точка P ) . Широта точки F (англ. footprint latitude ) обозначается как $\phi ‘ $ .
O — экватор
OZ — центральный меридиан
LP — параллель точки P
ZP — меридиан точки P
OL = k 0 S — дуга меридиана от экватора
OF = N — northing
FP = E — easting
GN — направление на север сетки карты (англ. grid north )
C — угол схождения меридианов (англ. convergence of meridians ) — угол между направлением на истинный север (англ. true north ) и на север сетки карты

При преобразовании прямоугольных координат (X , Y ) для проекции Гаусса-Крюгера на эллипсоиде WGS84 в прямоугольные координаты (N , E ) для универсальной поперечной проекции Меркатора на том же эллипсоиде WGS84 необходимо учитывать масштабный коэффициент (англ. scale factor ) $k_0 = 0,9996 $ :
$ N = X \cdot k_0 $ ;
$ E = Y_0 + Y \cdot k_0 $ ,
где $ Y_0 = 500 000 $ метров.

Указанный масштабный коэффициент $k_0 = 0,9996 $ верен только для центрального меридиана зоны. При удалении от осевого меридиана масштабный коэффициент изменяется.

Примечание. Погрешность считывания координат с карты (georeferencing accuracy ) обычно принимается равной ±0,2 мм. Именно такую точность имеют устройства, применяемые при создании аналоговой карты.

Геоид

Следует отметить, что более точным приближением поверхности нашей планеты является геоид (англ. geoid ) — эквипотенциальная поверхность земного поля тяжести, т. е. поверхность геоида везде перпендикулярна линии отвеса. Но сила тяжести определяется векторной суммой гравитационной силы со стороны Земли и центробежной силы, связанной с вращением Земли, поэтому потенциал силы тяжести не совпадает с чисто гравитационным потенциалом .
Геоид совпадает со средним уровнем Мирового океана, относительно которого ведется отсчет высот над уровнем моря .
Геоид имеет сложную форму, отражающую распределение масс внутри Земли, и поэтому для решения геодезических задач геоид заменяется эллипсоидом вращения. Наиболее современной математической моделью геоида является EGM2008 , пришедшая на смену популярной модели EGM96 .

Продолжение следует.

1. Понятие о форме и размерах земли . Ге о графические коорд и наты

При решении ряда геодезических задач требуется знать форму и размеры Земли, которая не является правильным геометрическим телом. Ее физическая поверхность (и в особенности поверхность суши) очень сложная, ее невозможно выразить какой-либо математической формулой. Поэтому в геодезии введено понятие уровенной поверхности.

Урове н ной называют выпуклую поверхность, касательная к которой в любой точке перпендикулярна направлению отвесной линии. Следовательно, уровенную поверхность мысленно можно провести через любую точку на физической поверхности земли, под землей и над землей. Реально уровенную поверхность можно представить как водную поверхность пруда, озера, моря, океана в спокойном состоянии. Поверхность Мирового океана, мысленно продолженная под сушей, названа поверхн о стью геоида, а тело, ограниченное ею, - геоидом. Но и поверхность геоида из-за неравномерного размещения масс в теле Земли также очень сложная и не выражается какой-либо математической поверхностью, например поверхностью шара. Исследования формы Земли астрономо-геодезическими методами показали, что Земля сплюснута у полюсов (вследствие вращения Земли вокруг своей оси). Поэтому в качестве математической поверхности, характеризующей форму Земли, принимают поверхность такого эллипсоида вращения, т.е. тела, получающегося от вращения эллипса вокруг его малой (полярной) оси, который по форме в наибольшей мереблизко подходит к поверхности геоида. Размерами эллипсоида являются длины его большой а и малой b полуосей, а также сжатие, которое определяют по формуле: а = (а - b )/а.

На протяжении двух последних столетий ученые неоднократно определяли размеры земного эллипсоида.

При приближенных расчетах поверхность эллипсоида принимают за поверхность шара (равновеликого по объему земному эллипсоиду) с радиусом 6371,1 км, округляя это значение до 6370 км, а в некоторых случаях до 6400 км. Для небольших участков земной поверхности поверхность эллипсоида принимают за плоскость.

Положения точек земной поверхности на карте и плане определяют координатами. Наиболее часто пользуются географическими и прямоугольными координатами.

Геогр а фическими к о ординатами (рис. 1.17, а) являются широта и долгота точки. Ге о графическая (астрономическая) широта ф точки М - угол между направлением отвесной линии, проходящей через эту точку, и плоскостью экватора. Геогр а фическая (астрономическая) до л гота А, - двугранный угол, заключенный между плоскостью меридиана, проходящего через эту точку, и плоскостью начального меридиана.

Угол, составленный нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора, называют геод е зической ш и ротой, а двугранный угол, заключенный между плоскостями геодезического и начального меридианов, - геодезич е ской долг о той.

Широты бывают северные и южные, изменяются от 0 (на экваторе) до 90° (на земных полюсах). Долготы бывают восточные и западные, изменяются от 0 (на начальном - Гринвичском меридиане) до 180° (на тихоокеанской ветви Гринвичского меридиана). Линию, проходящую через точки с одинаковыми широта ми, называют п а раллелью, а с одинаковыми долготами - меридианом.

2 . По нятие о картографич е ских проекциях. Классиф и кация проекций. Равн о угольная поперечная ц и линдрическая проекция Г а усса

Чтобы изобразить земную поверхность на плоскости, вначале переходят от ее физической формы к математической, в качестве которой принимают поверхность эллипсоида вращения (сфероида) или шара, и только затем математическую поверхность Земли изображают на плоскости.

Так как без искажений поверхность шара (или эллипсоида) изобразить на плоскости невозможно, то строят условные изображения земной поверхности, основанные на некоторых заранее принятых математических зависимостях между координатами точек на шаре и их изображениями на плоскости. Такие способы условного изображения земной поверхности на плоскости называют картографическими проекциями.

Разработаны различные виды проекций по характеру искажений. В одних проекциях искажаются все элементы - горизонтальные углы, линии, но сохраняется отношение площадей. Такие проекции называют равновеликими (эквивалентными). В других не искажаются углы, вследствие чего сохраняется подобие бесконечно малых фигур. Такие проекции называют равноугольными (конформными). Для составления топографических карт на территории б. СССР с 1928 г. принята равноугольная проекция Гаусса-Крюгера.

Применяя проекцию Гаусса-Крюгера, всю земную поверхность делят меридианами на шести- или трехградусные зоны (рис. 11.1, а). Это вызвано тем, что при большом удалении точки осевого меридиана получают большие искажения в этой точке на карте. Выбор зоны шириной и 3 или 6° долготы зависит от масштаба составляемой карты. При составлении карты в масштабе 1:10 000 или мельче применяют шестиградусную зону, а при составлении карты в масштабе 1: 5000 или крупнее - трехградусную.

Шестиградусные зоны нумеруют арабскими цифрами, начиная от гринвичского меридиана, с запада на восток. Так как западная граница первой зоны совпадает с гринвичским (начальным) меридианом, то долготы осевых меридианов зон будут: 3, 9, 15, 21 o … Долготу осевого меридиана можно определить по формуле:

Всего на территории б. СССР создано 29 шестиградусных зон с номерами от 4 по 32 и соответственно установлено 29 осевых меридианов со стандартными долготами 21, 27,…, 183, 189°.

Трехградусные зоны располагаются на земной поверхности так, что все осевые и граничные меридианы шестиградусных зон являются осевыми меридианами трехградусных зон. Следовательно, долготы осевых меридианов трехградусных зон кратны трем.

Системы координат в каждой зоне проекции Гаусса-Крюгера совершенно одинаковы: плоские прямоугольные координаты х и у, вычисленные по геодезическим (географическим) координатам В и L в любой координатной зоне, имеют одни и те же значения. В проекции Гаусса-Крюгера осевой меридиан, представляющий ось абсцисс (х), и экватор - ось ординат (у), изображаются взаимно перпендикулярными прямыми линиями, а остальные меридианы - кривыми, сходящимися в полюсах (рис. 11. 1,6). Все абсциссы точек в северных частях зон (к северу от экватора) положительные. Чтобы все ординаты были положительные, ко всем ординатам (отрицательным и положительным) прибавляют 500 км. Кроме того, для полного определения положения точки на земной поверхности впереди измененной ординаты пишут номер зоны. Например, в зоне 7 точки А и В имеют действительные ординаты: у А = +14 837,4 м, у в = -206368,7 м. Преобразованные ординаты будут на 7500000 м больше, т.е. у a = 7514 Х37,4 м, у в = 7293631,3 м. Абсциссы точек на всей территории России положительны, их оставляют без изменения.

3. Прямоугол ь ные координаты Гаусса. Процесс преобразова ния

Применяя проекцию Гаусса, всю земную поверхность делят меридианами на 6 и 3 зоны. Это вызвано тем, что при большом удалении точки осевого меридиана получают большие искажения в этой точке на карте. Выбор зоны зависит от масштаба. Для крупных 3-х зоны (1:500,1:1000,1:2000,1:5000), для мелких 6-и зоны (1:50000, 1:100000). Спроектировав зону на поверхность цилиндра, а затем развернув его на плоскость получают изобр. зоны на плоскости. В проекции Гаусса в кажд. из зон примен. прямоугольная система координат. За ось абцис (х) принимают осевой меридиан, за ось ординат(у) - экватор. Для преобразования плоских прямо-х координат принято +500 км к исходн. координатам и добавлять номер зоны впереди.

4 . Ма сштаб изображения и искажения длин линий пр о екции Гаусса

Пр. Гаусса является равноугольной, т.к. в ней не икаж. горизонт. углы геометр. фигур земной поверхн. Длина линий измер. на плане или вычисл. по координатам точек всегда больше горизонт. проложений этих линий на местности, т.е.

S г =S+?S, ?S=(1+у 2 /2R 2),

где?S-поправка за редуцирование-вычисление длины линии на местности в проекции. ?S всегда +, при вычислении ее поправки ординату(у) берут для середины редуцируемого отрезка. Поправки за редуцирование линий вводятся в измеренные линии, когда значение измеренных линий велико и в качестве исходных используются точки гос. геод. сети. Под масштабом плана понимают отношение длины линии на плане к горизонт. проложению длин этих линий на местности m=S г /S. Масштаб во всех частях плана постоянен, но при изобр. больших террит. кривизна земли сказывается. Масштаб карты явл. велич. переменной. Он изм. при переходе из одной точки в другую>зависит от геогр. координат и азимута (m=f (B, L, ?)), где m-масштаб. На картах бывают масштабы: 1. Главный устанавливает общее изменение всех элементов земной поверхн. при переходе от поверхн. земн. эллипсоида или шара к карте. Во всех остальных частях карты масштабы > или < главного назыв. частные. Масштаб изобр. в пределах одн. и той же зоны различен и зависит от удаленности отрезка от осевого меридиана. Наибольшее искаж. получ. длины отрезков находящихся на краю 6 зоны, на широте экватора.

5. Искажение площадей в проекции Гаусса

В проекции Г. сохран. подобие бесконечно малых фигур. Из геометр. известно, что площади подобных фигур относятся как квадраты их сходственных сторон

Р г /Р=S 2 г /S 2 , S г =S (1+y 2 /2R 2), P г /Р=S 2 (1+y 2 /2R 2)/S 2 , P г =Р (1+у 2/ /R 2 +y 4 /4R 4).

Из-за малости у 4 /4R 4 отбрасывают.

Р г =Р (1+у 2 /2R 2), P г =Р+?Р, ?Р=Ру 2 /R 2 .

Р - поправка в площади в поверхности шара на плоскость поверхности Гаусса. Для упрощения выводов земная поверхн. приним. за поверхн. шара

6. Номенклатура листов т о пограф. карт мелких, ср., кр. масштабов

Для удобства пользования топограф. картами их обознач. введя опр. систему. В основу деления положены сферические трапеции получаемые на поверхн. сфероида при делении его меридианами через 6 на 60 зон. Зоны № арабским цифрами с запада на восток, начиная от меридиана долготой 180°. Колоны делятся на ряды через 4°, ряды обознач. заглавн. букв. латинского алфавита, от экватора до севера, от А до З. Проведенные таким образом меридианы служат рамками листов карт масштабом 1:1000000 размерами по широте 4 и 6. В основу номенклатуры карт крупных масштабов положена трапеция масштаба 1:1000000, средних - 1:100000.

7. Вычисл. координ. ве р шин тр апеции м. 1:10000 в пр. Гаусса

Сначала по специальным таблицам находят координаты и сближение меридианов углов рамки трапеции 1:25000, в которую входит трапеция м. 1:10000. Выбор данных производится по широте В и отклонению угла рамки от осевого меридиана l=L-L 0 . Найденные значения выписываются на схему. Затем вычисляют прям. координ. и сближ. меридианов для углов рамки трап. м. 1:10000 линейным интерполированием м/у соответствующими значениями для улов рамки трап. м. 1:25000. Результаты выпис. на схему. В абциссы углов, полученных при интерполировании, вводят поправку, которую берут из таблицы. Поправка вводится с -, т.к. параллели в пр. Г. изобр. дугами. Попр. водят в точки, расп. на среднем меридиане трап. м. 1:25000. Найденные знач. для трап. м. 1:10000, предварительно + к ординатам 500 км и указав впереди № зоны.

9. Определ. дирекционного угла и длины л и нии между двумя точками на топ о граф. карте графич. и гр а фоаналитич. методом

Для определ. дир. угла по графич. координатам вычисл. румб линии, к пр. АВ, по ф.

r AB =arctg?y AB /?x AB .

Затем по румбу находят дир. угол? АВ. Для этого выч. гориз. пролож. S AB по ф.

S АВ =?x AB /cosr AB , S AB =?y AB /sinr AB , S AB =v?x AB 2 +?y AB 2 .

Для опр. дир. угла. по графич. методу нужно изм. дир. угол с помощью геодезич. транспортира. Горизонт. пролож. измерть с помощью циркуля и масшт. линейки. Расхождения между полученными значениями 2 способами на должны превышать в дир. угле 20", в гор. прол. - 4 м.

10. Сущность и виды геод. изм.

Изм. к-л величин. значит сравнить ее с другой однородной ей велич., принятой за 1-цу меры. В результате изм. находится число = отношению измеряемой величины к 1 меры, его назыв. результатом изм. Изм.: прямые - когда определяемую величину получают из непосредственного сравнения с эталоном; косвенные - знач. величины получают вычислением по другим уже изм. велич. Всякое изм. предусматривает наличие 5 факторов: объекта изм., человека, инструмента изм., метода изм., внешней среды. Изм проводимые в одинаковых условиях при котор. результ. можно считать одинаково достоверными - равноточные, изм. проводимые в неодинаковых условиях котор. отдельные изм. оказываются недостоверными назыв. неравноточными.

11. Классиф. ошибок изм. Св-ва случ. ошибок изм.

Отклонение результата изм. от его точного изм. назыв. ошибкой изм. ?=l-x, ?-ошибка, l-результат изм., х-точное знач. Классиф.: По характеру действия: грубые - величина которых совершенно недопустима при данных условиях изм.; систематические - при повторных изм. либо остаются без измен., либо измен. по к-л определенному закону, могут быть: постоянно, переменно, односторонне действующие; случайные - ошибки в последовательности появления которых нет никакой закономерности. По источнику происхождения: инструментальные, внешние, личные. Св-ва случ. ошибок: Ошибки по абсолютной величине не превосходят некоторого предела. Число + и - ошибок равных по абсолютной величине встречается одинаково часто. 3Чем меньше по абсолют. велич. ошибка тем она чаще встреч. и наобор. 4Чем больше число ошибок, те больш. среднеарифметическое из них стремится к 0.

12. Сред., вероят., СКО и предельн. ошибки изм., связь м/у ними. Виды распр ошибок, Абсолют. и отн о сит. ошибки изм.

Средняя ош. получена как среднеарифм. знач. из истинных ош. Ее получ. по абсолютным знач. ош.

Среднеарифм., n-число изм. Вероятная ош.-такое знач. случ. ош. при данных условиях по отношению к которой ош. <и>по абсолют. велич. встречаются одинаково часто r=2/3m. СКО как мера точности изм. усиливает возвед. в квадр. знач. больших по абсолютной величине ош., что проектир. правильность суждения о надежности m=v[? 2 ]/n. При неогр. числе изм. знач. СКО будет приближенным > вычисл. СКО самой ош. и назыв. ее надежностью изм. m ml =m l /v2n. Зная СКО установить предельную ош., абсолют. знач. которой счит. верхней границей допустимых при данных условиях изм. размеров ош. ? пр =ґ m , где ґ=2; 2,5; 3. Преимущество СКО: Учитывают влияние больших по величине ошибок. СКО определенная из небольшого числа изм. мало отлич от СКО большого числа таких же изм. Истинная, средняя, вероятная, СКО ош. назыв. абсолютными в тех случаях когда на точность изм. влияет размер определяемой величины, то оценка точности по абсолют. ош. становится недостаточной. Во всех таких случаях для точности применяют понятие относит. ош. - отвлеченное число выраж. отнош. абсолют. ош. измерения к его результату.

13. Матем. обраб. равн о точн. изм. Арифм. сре д нее, СКО арифмет. середи ны

Имеется ряд равноточ. изм. l 1 , l 2 …, l n . За окончательное знач. изм. величины приним. среднее знач или L=(l 1 +l 2 + … +l n)/n=[l]/n. Ряд случ. ош.

1 =l 1 -x, ? 2 =l 2 -x,….,? n =l n -x,

где х-точное знач. изм. величины. Сложим все и получ. [?]=[l] - nx. x=[l]/n - [?]/n. При бесконечном числе изм. среднее арифм. знач. их находится ближе всего к точному их значению х, чем любой из результатов измерений (l 1 , l 2 …l n) поэтому его назыв. вероятнейшим знач. измеренной величины.

L=[l]/n, L=l 0 +[E]/n,

l 0 -наименьшее из всех результатов изм., Е-разница м/у каждым наименьшим и результатом изм. Е=l 1 -l 0 . Если возмем - м/у средним арифм. и каждым результатом изм. то получим v 1 =l 1 -L, v 2 =l 2 -L,…., v n =l n -L. Сложим все и получ.

[v]=[l] - [l]/n*n.

Величину v назыв. уклонением от вероятнейшего знач. или вероятнейшими ош. СКО арифм. середины, если х-точное значение определ. велич., L-арифметич. середина, М-ош. вероятн. знач. М=L-x.

8. Способы получ. размеров по меридиану и пара л лели литсов топограф. карт ме л ких и ср. м. в мере

Разграфка листов крупномасштабн. планов произв. сл. способом: для съемки и составл. планов свыше 20 км2 за основу разграфки принимают лист карты 1:1000000, а в случае прямоугольной разграфки 1:5000.

1:1000000-4-6°, 1:500000-2-3°, 1:300000-1°20-2°, 1:200000-40"-1° 1:100000-20"-30", 1:50000-10"-15", 1:25000-5"-7"30», 1:10000-2"30»-3"45».

16. Оценка точности рез. равноточ. изм. по 2 - х изм. Ф., порядок вы числ.

На пактике часто произв. 2-ые равноточные изм. Изм. некот. однородн. велич. и получ. результатыl 1 " , l 2 " …l n " и l » 1 , l 2 » …l n » , d=l i " -l i » . При абсолютно точных знач. - этих велич. должны быть =0. Но этого не происх. т. к. влияют ош. можно их вычисл. по ф. Г. m d =+-v/n. Ош 1-го изм. m l =v[d] 2 /2n, вероятнейшего измерения. m l =0.5v/n, предельное изм. ? пр =3m. Эти ф. справедливы когда отсутств. систем. ош. Если есть систем. ош. то ее нужно опред. и искл. Если бы не было случ. ош. тогда знач. систематич. ош. можно получить применяя ф. арифм. середнего. Q=d, Q=[d]/n. Искл. знач. ош. из - получим остаточные разности i =d i -Q.

17. СКО арифметической середины . Вывод ф.

M=L-x. Для вывода этой формулы примем? 1 =l 1 -x, ? 2 =l 2 -x,…,? n =l n -x. Сложим и разделим все и получим [?]/n=[l]/n-xn/n. Возведем это равенство в квадрат

М 2 =(? 1 2 +? 2 2 + … +? n 2 +2? 1 ? 2 +2? 1 ? 3 + … +2? 1 ? n +2? 2 ? 3 +2? 2 ? 4 + … +2? 2 ? n + … +2? n -1 ? n)/n 2 .

Т.к. в этой ф. на основании св-ва случ. ош. удвоенные произв. могут иметь разные знаки и при возрастании числа сумма их будет >0, поэтому отбросив их получим приближен. равенство.

M 2 =(? 1 2 +? 2 2 + … +? n 2)/n 2 =[? 2 ]/n 2 .

М=m l /vn, M L =m l /vn-СКО вероятнейшего знач. Следовательно СКО арифм. серед. равноточ. изм. одной и той же велич. vn меньше СКО отдельного изм. > вероятн. знач. будет в наибольшей мереточным по сравнению с каждым результатом изм.

18. СКО ф-и общего вида: U = f (X 1 , X 2 ,… , X n ). Вывод ф.

U=f(X 1 , X 2 ,…, X n),

где X 1 , X 2 , X n непосредственно изм. велич. содерж. ош. ?х 1 , ?х 2 , ?х n . Если меняются знач. аргументов ф-и на велич. ош., то меняется и сама ф-я

U+?U=f(x 1 +?х 1 , х 2 +?х 2 , х n +?х n).

19. СКО ф-и вида U = K X (K - const ).Вывод ф.

U=KX, где K-const, х - непоср. изм. велич. Если х изм. ошибочно, то и ф-ия будет иметь ош. U+?U=K (x+?x), где?U-случ. ош. Произведем вычисл. и получ. ?U=K?x

m U =m x v?K i 2 .

20. СКО ф-й вида U = X + Y . Вывод ф.

U=X+Y(1), где х, у - независим. велич., получ. в результате неоднократных изм. величин. Если изм. велич. были определены со случ. ош., то и сумма их будет содерж. ош.

U+?U=(x+?x)+(y+?y) (2).

Вычтем из (2) (1) ?U=?x+?y. При многократных непостедств. изм. каждой велич. получ. многочлен

U 1 =?x 1 +?y 1 ,?U 2 =?x 2 +?y 2 ,….,?U n =?x n +?y n .

Возведем в квадрат и сложим почленно [?U 2 ]=[?x 2 ]+[?y 2 ]+2 [?x?y]. Отбросим последнее знач. т.к. оно обладает всеми св-ми случ. ош. и при увелич. числа изм. стремится к 0.

[?U 2 ]=/n+/n, m 2 U =m x 2 +m y 2 .

СКО суммы двух изм. велич. равна сумме квадратов отдельных аргументов.

m=m x =m y , m U = +-mv2, m U =vm x 2 +m y 2 .

Описание проекции

Проекция Гаусса-Крюгера применяется для вычисления плоских прямоугольных координат x и y из геодезических координат B и L поверхности референц-эллипсоида. На территории Российской Федерации в качестве референц-эллипсоида используется эллипсоид Красовского.

Проекция Гаусса-Крюгера является равноугольной поперечной циллиндрической проекцией Меркатора на касательный цилиндр. Для проецирования используется 3-х и 6-ти градусные зоны референц-эллипсоида вдоль осевого (центрального) меридиана. Для топографических карт в основном используются проекции 6-ти градусных зон.

Зона - участок земной поверхности, ограниченный двумя меридианами. Проекция Гаусса-Крюгера делит поверхность референц-эллипсоида на 60 зон шириной 6 градусов. Нумерация зон производится на восток от нулевого меридиана от 1 до 60. Зона 1 простирается от меридиана 0° до меридиана 6° с центральным меридианом 3°.

Долгота осевого меридиана зоны вычисляется по формуле:

где N - номер зоны.

Координаты

Для расчета координат используется прямоугольная километровая сетка. За ось OX принимается изображение осевого меридиана зоны с положительным направлением на север. За ось OY принимается изображение экватора с положительным направлением на восток. В каждой шестиградусной зоне применяется собственная система координат.

Для того чтобы все координаты были положительными, применяется восточное смещение, равное 500 000 м.

Для определения к какой зоне относятся значения координат, к численному значению координаты Y слева приписывается номер зоны.

Параметры проекции

Поперечная проекция Меркатора описывается следующим набором параметров:

b0 - широта начала координат проекции (равна 0);

l0 - долгота начала координат проекции;

y0 - смещение начала координат проекции вдоль меридиана;

x0 - смещение начала координат проекции вдоль параллели;

k0 - масштабный коэффициент в начале координат проекции.

Для проекции Гаусса-Крюгера соответствующие параметры принимают следующие значения:

l0 = долгота осевого меридиана (6 * N - 3, где N - номер зоны);

x0 = 500000 (восточное смещение);

k0 = 1 (для проекции на касательный цилиндр).

Необходимо обратить внимание, что для описания проекции применяются следующие направления осей прямоугольной системы координат: OX - по экватору на восток, OY - по меридиану на север.

Общеземные системы координат

Общеземная координатная система

Для описания всей земной поверхности применяется общеземной эллипсоид, поверхность которого наиболее близка к геоиду. Центр общеземного эллипсоида размещается в начале координат глобальной пространственной прямоугольной (геоцентрической) системы координат. Совокупность параметров общеземного эллипсоида и параметров ориентации общеземного эллипсоида в пространственной прямоугольной системе координат определяют общеземную координатную систему.

Наиболее широкое использование получила общеземная координатная система WGS84 с эллипсоидом WGS84 (World Goodetic System 1984). На территории Российской Федерации применяется общеземная координатная система ПЗ-90 (Параметры Земли 1990).

Параметры ориентации эллипсоида

Существуют различные способы ориентации эллипсоида в глобальной пространственной прямоугольной (геоцентрической) системе координат, в том числе 7-параметровый Гельмерта или, как указано в зарубежных источниках, Бурса-Вольфа.

7 параметров ориентации представляют собой:

dX, dY, dZ - линейные элементы взаимного ориентирования (м);

Rx, Ry, Rz - угловые элементы взаимного ориентирования (рад);

dS - масштабный элемент.

Мировая геодезическая система

В связи с широтой распространения за основу при расчете координат принята Мировая геодезическая система WGS84. Пересчет координат из одной системы координат в другую производится с использованием параметров ориентации относительно WGS84.

Параметры ориентации WGS84, соответственно:

dX = 0 м; dY = 0 м; dZ = 0 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = 0″; dS = 0.

Параметры Земли ПЗ-90

В соответствии с ГОСТ 32453-2013 (взамен отмененному ГОСТ Р 51794-2008) применяются две геоцентрические системы координат ПЗ-90 и ПЗ-90.02.

Параметры ориентации относительно WGS84:

dX = -1,10 м; dY = -0,30 м; dZ = -0,90 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = -0,20″; dS = -0,12 * 10 -6 ;

dX = -0,36 м; dY = 0,08 м; dZ = 0,18 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = 0″; dS = 0.

Референсные системы координат

Для максимально точного описания определенной территории земной поверхности применяются локальные или референц-эллипсоиды, оптимально ориентированные для выбранной территории.

На территории Российской Федерации в качестве референц-эллипсоида используется эллипсоид Красовского. Для вычисления геодезических координат на основе эллипсоида Красовского применяются геодезические системы координат 1942 года (СК-42) и 1995 года (СК-95).

В соответствии с ГОСТ 32453-2013 параметры ориентации референц-эллипсоида устанавливаются относительно геоцентрических систем координат ПЗ-90 и ПЗ-90.02.

СК-42 => ПЗ-90:

dX = 25 м; dY = -141 м; dZ = -80 м; Rx = 0″; Ry = -0,35″; Rz = -0,66″; dS = 0.

СК-95 => ПЗ-90:

dX = 25,90 м; dY = -130,94 м; dZ = -81,76 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = 0″; dS = 0.

СК-42 => ПЗ-90.02:

dX = 23,93 м; dY = -141,03 м; dZ = -79,98 м; Rx = 0″; Ry = -0,35″; Rz = -0,79″; dS = -0,22 * 10 -6 .

СК-95 => ПЗ-90.02:

dX = 24,83 м; dY = -130,97 м; dZ = -81,74 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = -0,13″; dS = -0,22 * 10 -6 .

Для определения параметров ориентации референц-эллипсоида относительно WGS84 необходимо попарно суммировать параметры ориентации референсных систем координат (СК-42, СК-95) и геоцентрических (ПЗ-90, ПЗ-90.02).

СК-42 => ПЗ-90 => WGS84:

dX = 23,90 м; dY = -141,30 м; dZ = -80,90 м; Rx = 0″; Ry = -0,35″; Rz = -0,86″; dS = -0,12 * 10 -6 .

СК-95 => ПЗ-90 => WGS84:

dX = 24,80 м; dY = -131,24 м; dZ = -82,66 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = -0,20″; dS = -0,12 * 10 -6 .

СК-42 => ПЗ-90.02 => WGS84:

dX = 23,57 м; dY = -140,95 м; dZ = -79,80 м; Rx = 0″; Ry = -0,35″; Rz = -0,79″; dS = -0,22 * 10 -6 .

СК-95 => ПЗ-90.02 => WGS84:

dX = 24,47 м; dY = -130,89 м; dZ = -81,56 м; Rx = 0″; Ry = 0″; Rz = -0,13″; dS = -0,22 * 10 -6 .

Методы определения параметров ориентации

Существует два метода определения параметров ориентации эллипсоида относительно пространственной прямоугольной (геоцентрической) системы координат:

Преобразованием радиус-вектора (EPSG:9606);

Поворотом системы координат (EPSG:9607) (значения поворота положительны при вращении против часовой стрелки).

Оба метода отличаются между собой знаками угловых элементов взаимного ориентирования Rx, Ry, Rz.

В ГОСТ 32453-2013 указаны параметры ориентации, соответствующие методу с поворотом системы координат.

Также этому методу соответствует описание параметров датума с использованием WKT-строки. Данное утверждение основано только на личных наблюдениях, но документального подтверждения найдено не было.

Для формирования строки описания системы координат для библиотеки PROJ.4 используются параметры, полученные методом преобразования радиус-вектора. Соответственно, при формировании строки описания системы координат параметры Rx, Ry, Rz, определенные в ГОСТ 32453-2013, должны указываться с противоположным знаком.

Параметры ориентации для СК-42 и СК-95 при использовании в строке PROJ.4 должны соответствовать:

СК-42 => ПЗ-90 => WGS84:

Towgs84=23.90,-141.30,-80.90,0,0.35,0.86,-0.12

СК-95 => ПЗ-90 => WGS84:

Towgs84=24.80,-131.24,-82.66,0,0,0.22,-0.12

СК-42 => ПЗ-90.02 => WGS84:

Towgs84=23.57,-140.95,-79.80,0,0.35,0.79,-0.22

СК-95 => ПЗ-90.02 => WGS84:

Towgs84=24.47,-130.89,-81.56,0,0,0.13,-0.22

В EPSG данные методы определены соответственно под кодами 9606 и 9607. В таблицах EPSG при указании параметров ориентации датумов также указывается метод их получения.

Порядок вычисления координат

Правообладателю необходимо определить один из четырех методов преобразования координат из WGS84 в проекцию Гаусса-Крюгера, которая наиболее достоверно удовлетворяет его потребности.

Использование EPSG при описании системы координат

В основе EPSG лежит район применения системы координат. Так как референсные системы координат СК-42 и СК-95 предназначены для проведения расчетов на территории евразийской части земной поверхности, то в таблицах EPSG с описанием систем координат обозначены параметры только для ограниченного числа зон проекции Гаусса-Крюгера. Поэтому определение описания системы координат по всей поверхности Земли с использованием кодов EPSG не представляется возможным.

Также, в рассматриваемой версии таблиц EPSG (7.5) отсутствует описание системы координат ПЗ-90.02 и, соответственно, параметры преобразования для СК-42 => ПЗ-90.02 => WGS-84 и СК-95 => ПЗ-90.02 => WGS-84.

Использование библиотеки PROJ.4

Библиотека PROJ.4 свободно распространяется в исходных кодах и имеет реализации для различных языков программирования, в том числе для C и JavaScript.

Для определенных выше параметров описания систем координат формируется строка для любой зоны проекции Гаусса-Крюгера (для СК-42 => ПЗ-90.02 => WGS-84) в виде:

Proj=tmerc +lat_0=0 +lon_0=L +k=1 +x_0=X +y_0=0 +ellps=krass
+towgs84=23.57,-140.95,-79.8,0,0.35,0.79,-0.22 +units=m +no_defs

где L = 6 * N - 3 (долгота осевого меридиана),

X = 500000 + 1000000 * N (восточное смещение),

N - номер зоны.

При этом необходимо учитывать тот факт, что PROJ.4 считает, что угловые элементы взаимного ориентирования Rx, Ry, Rz получены методом преобразования радиус-вектора и, соответственно, для полученных параметров Rx, Ry, Rz из ГОСТ 32453-2013 необходимо изменить знаки на противоположные.

Использование алгоритмов пересчета ГОСТ 32453-2013

При использовании алгоритмов, указанных в ГОСТ 32453-2013, можно самостоятельно реализовать пересчет координат из WGS84 в проекцию Гаусса-Крюгера и обратно, но для пересчета из иных систем координат в WGS84 придется воспользоваться сторонними разработками.

Литература

ГОСТ 32453-2013 - Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек.

Комаровский Ю. А. «Использование различных референц-эллипсоидов в судовождении», Учебное пособие, 2005.