Data geodezică

Dată geodezică: elipsoid cu o orientare clară spre pământ

Datele geodezice ( latină: dare = a da; PPP datum = dat) descriu poziția unui sistem de coordonate în raport cu corpul pământului în geodezie , cartografie și informații geografice . Pentru a descrie poziția obiectelor pe pământ folosind coordonate, trebuie să se determine modul în care sistemul de coordonate utilizat este conectat la pământ. Aceasta include informații despre poziția originii coordonatelor, orientarea axelor și scara sistemului de coordonate. Datele geodezice formează un sistem de referință de coordonate împreună cu sistemul de coordonate .

Tipul și numărul parametrilor necesari diferă în funcție de tipul și dimensiunea sistemului de coordonate.

Pentru un sistem tridimensional de coordonate aveți nevoie de 6 parametri de dată, 3 pentru poziția originii și 3 pentru orientarea axelor. Pentru un sistem de coordonate elipsoidale, este necesară și descrierea elipsoidului de referință asociat .

Pentru un sistem de înălțime (sistem de coordonate unidimensional), baza verticală este determinată de un parametru care descrie nivelul sistemului de înălțime. În acest scop, este suficient să specificați înălțimea unui punct, care z. B. derivate din observații de nivel. Orientarea rezultă din direcția verticală în câmpul gravitațional al Pământului.

Pentru un sistem de referință dinamic de coordonate, ale cărui puncte își schimbă coordonatele în timp, este necesară și specificarea unei epoci de referință .

În practică, la evaluarea măsurătorilor unei rețele geodezice, baza de date geodezică este implementată prin definirea anumitor puncte de măsurare (de exemplu, coordonate fixe). Aceste puncte se numesc puncte de dată. Toate punctele unei rețele geodezice cu coordonatele lor formează cadrul de referință

Definiții diferite

„Definiția îngustă” a datei geodezice descrisă mai sus, care include doar orientarea sistemului de coordonate față de pământ, este adesea utilizată în geodezie.

Definiția extinsă a unei date geodezice include cadrul de referință de pe pământ. (Vezi mai jos). Aceasta înseamnă că coordonatele tuturor punctelor unei rețele derivate din măsurători concrete sunt considerate a fi parte a datei. Această ecuație de dată și cadru de referință este deosebit de comună în informațiile geografice .

Sistem cartezian de referință și elipsoid de referință

Șase coordonate definesc în mod clar un sistem de referință cartezian tridimensional în raport cu pământul: trei coordonate pentru origine, trei pentru orientare. Sistemul de coordonate cartezian nu este foarte potrivit în practică. Deoarece punctele de pe suprafața pământului sunt în principal de interes, se alege un corp de referință adecvat. În trecut a fost suficient să găsiți o aproximare regională bună pentru propria țară.

Astăzi este obișnuit să se definească un elipsoid care are cele mai mici abateri medii globale . Originea coordonatelor sistemului global se află în centrul elipsoidului și în centrul de greutate al pământului, axa z perpendiculară pe planul ecuatorial circular în direcția axei de rotație a pământului.

Semiaxa majoră (raza ecuatorului) și aplatizarea (raportul dintre semiaxa majoră și raza polului) determină elipsoidul de referință . Masa pământului, mai exact: produsul constantei gravitaționale și al masei, este determinată pentru a lua în considerare distorsiunile spațiale conform teoriei generale a relativității , precum și viteza de rotație a pământului.

Cadru de referință

Un cadru de referință leagă sistemul de coordonate matematice cu pozițiile reale pe pământ. Obișnuia să fie o practică obișnuită pentru a marca un punct fundamental și a alinia toate măsurătorile în raport cu acesta. Această metodă este prea imprecisă pentru un sistem global. În schimb, se calculează un număr mare de măsurători pentru a obține un punct fundamental virtual.

Dacă definiția îngustă și extinsă a datei geodezice nu sunt clar separate una de alta, confuzia nu poate fi evitată. Cu o interpretare restrânsă, o dată poate fi convertită în alta din punct de vedere matematic .

Definiția extinsă include valori măsurate eronate ale cadrului de referință. Prin urmare, o conversie exactă este imposibilă.

Punctele sunt reprezentate într-un sistem de coordonate, de exemplu pe o hartă bidimensională, într-un sistem de referință de coordonate: sistem de referință de coordonate = dată + sistem de coordonate.

înălţime

Definițiile datei legate de un elipsoid de revoluție sunt, de asemenea, numite date geometrice , deoarece informațiile se referă la elipsoidul de referință, nu la geoid . Diferența dintre cele două poate fi de peste 100 m.

Este necesară o dată verticală pentru a indica înălțimile deasupra nivelului mării . În acest scop, este suficient să se definească înălțimea de referință sau, în practică, să se definească înălțimea a cel puțin unui punct din rețea.

Alternativ, o dată de altitudine poate fi descrisă și prin specificarea unui elipsoid de referință și a unui model asociat geoidului sau cvasigeoidului. Înălțimile elipsoidale derivate din măsurătorile GNSS pot fi astfel convertite în înălțimi fizice.

Exemple

Exemple de elipsoide montate local și global

Data regională

Data Potsdam se bazează pe un elipsoid Bessel (1841) cu o potrivire bună pentru Germania și punctul fundamental Rauenberg ca cadru de referință.

Data globală

Forma elipsoidului de referință GRS80 al referinței WGS84 este adaptată la suprafața totală a pământului cu cea mai mică eroare posibilă. Orientarea sa este reajustată continuu, astfel încât mișcarea medie a tuturor punctelor fixe în raport cu sistemul de coordonate este zero.

Există numeroase cadre de referință pentru WGS84. US-DOD operează în jur de 13 stații de referință. În 1994 precizia WGS G730 era de 10 cm , în 2002 (WGS G1150) de câțiva centimetri. Cadrul internațional de referință terestru (ITRF) se bazează pe mai mult de 200 de stații de măsurare și diferite metode de măsurare. Datorită preciziei mai mari, cadrul de referință pentru WGS84 nu mai este măsurat independent, ci derivat din ITRF.

Diferențele dintre datele geodezice ale Sistemului internațional de referință terestru și WGS84 sunt acum neglijabile.

Sistemul european de referință ETRS89 este o copie a ITRS89 din epoca 1989. De atunci sistemul de coordonate a fost în derivă rigid cu placa eurasiatică . Comparativ cu ITRS, acesta se deplasează și se rotește cu aproximativ 2 cm pe an. Implementarea prin cadrul de referință ETRF se bazează pe 92 de puncte comercializate în Europa (rețeaua EUREF A), condensate cu 109 puncte în Germania (rețeaua DREF B) și în alte puncte prin măsurători de către birourile de supraveghere de stat (rețeaua C).

Sistemele de coordonate bidimensionale pentru reprezentarea punctelor pe o hartă sunt, de exemplu, sistemul de coordonate Gauß-Krüger sau sistemul modern de coordonate UTM .

înălţime

Datele de altitudine pentru sistemul de referință de altitudine valabil în prezent DHHN2016 în Germania sunt nivelul Amsterdam (NAP). La determinarea înălțimilor DHHN2016, nivelul nu a fost nivelat până la Amsterdam, dar data a fost realizată pe baza înălțimilor de 72 de puncte ale sistemului anterior de referință pentru înălțime DHHN92, care se referă și la nivelul Amsterdam. Suma diferențelor de înălțime pentru cele 72 de puncte de dată dintre DHHN2016 și DHHN92 este zero.

Modelul gravitațional al Pământului 96 (EGM96) este un exemplu de model geoid care este încă utilizat pe scară largă la nivel internațional. Modelul geoid mai actualizat recomandat de NASA, care oferă ondulația geoidă pentru reglarea înălțimii pentru WGS84 , este EGM2008.

istorie

Acest articol sau secțiune trebuie revizuit. Detalii ar trebui să fie date pe pagina de discuții . Vă rugăm să ajutați la îmbunătățirea acestuia , apoi eliminați acest semnalizator.

Studiu de teren clasic

Până în jurul anului 1960, în topografia „clasică” a terenurilor, sistemele de topografie ale statelor individuale erau determinate de

  1. a fost selectat un elipsoid de referință adecvat pentru zona respectivă ,
  2. pe un punct fundamental P 0 care este situat cât mai central posibil și ale cărui coordonate geografice au fost determinate prin măsurători astronomice ,
  3. acestea au fost preluate ca coordonate elipsoidale pe elipsoid
  4. iar rețeaua de topografie (existentă sau viitoare) a fost orientată spre nord sau sud, măsurând un azimut astronomic (direcția către un punct fix vizibil clar, la aproximativ 20-50 km distanță).

Poziția sistemului a fost astfel determinată: direcția perpendiculară în punctul fundamental P 0 este perpendiculară pe elipsoidul utilizat, iar axa sa este paralelă cu axa terestră . Pentru definiția înălțimii , nivelul mării P 0 a fost adoptat ca înălțime elipsoidală .
¹) Variabilele măsurate nu sunt latitudine / longitudine „geografice”, ci latitudine și longitudine astronomice .

Ajustarea elipsoidului la direcțiile perpendiculare

Cheia pentru această adaptare este așa-numita deviere de la perpendiculară : Dacă determinați perpendicularul cu o perpendiculară, nu este în niciun caz normal pe elipsoid. Munții, văile și tulburările de masă din subsol pot genera abateri unghiulare de până la 0,01 °, care depășește precizia de măsurare de aproape 100 de ori. Cu toate acestea, elipsoidul poate fi poziționat în corpul pământului în așa fel încât abaterile verticale din centrul țării sau în medie pentru întreaga țară să devină zero.

Prima metodă a fost aleasă în secolul al XIX-lea, de exemplu, pentru anchetele naționale din Prusia și Austria-Ungaria: punctul zero a fost stabilit astro-geodezic în TP Rauenberg (lângă Berlin ) sau lângă Viena în așa fel încât să linia era perpendiculară pe Ellipsoid. Toate punctele de măsurare ale rețelei au fost conectate geometric la punctul fundamental respectiv , astfel încât coordonatele lor se referă indirect la aceste puncte zero până în prezent. Cu toate acestea, în rețeaua europeană pentru Europa de Vest și Centrală, a fost aleasă a doua metodă, astfel încât coordonatele ED50 să se refere de facto la un punct central de lângă München .

Eloidul geoid, regional și de pământ

În timp ce un elipsoid de referință este adaptat la geoidul regional ca mai sus , elipsoidul mediu al pământului, pe de altă parte , se apropie cel mai bine de geoid la nivel global . Cu toate acestea, diferențele radiale între +75 m (Canada) și -120 m (Ind) persistă. În jurul anului 1960, elipsoidul pământului era cunoscut doar cu o precizie de aproximativ 100 de metri, dar de atunci a fost rafinat treptat și adaptat la starea actuală a cunoștințelor la fiecare 20 de ani (vezi GRS 67 și GRS 80 ).

Majoritatea țărilor industrializate și-au stabilit elipsoidele de referință în secolul al XIX-lea și le-au adaptat la geoidul regional folosind măsurători de grade și alte metode. Axele elipsoide deviază, așadar, de la elipsoidul de pământ cu 0,5 până la 1,5 km - ceea ce înseamnă diferențe mari corespunzătoare în parametrii datei.

Pe de altă parte, multe țări în curs de dezvoltare nu și-au stabilit inspecția națională până în 1970 și, prin urmare, au folosit parțial un bun elipsoid de pământ ca bază.

Germania și Austria

În Germania , diferențele dintre elipsoidul Bessel utilizat aici și geoidul sunt relativ mici, în zonele plate sunt constante la câțiva metri. Cu toate acestea , în Austria, datorită influenței Alpilor , geoidul rulează 43 până la 52 de metri deasupra elipsoidului definit de baza de date WGS 84.

În timp ce astfel de valori ar fi inutile din punct de vedere tehnic, sistemul elipsoid MGI introdus de Austria-Ungaria - astăzi cunoscut și sub numele de Datum Austria - se abate de la geoid cu doar −2,5 până la +3,5 m. Se bazează pe cel mai bun elipsoid regional Bessel , care este deplasat cu 596 m, 87 m și 473 m în direcțiile x, y și z în comparație cu un elipsoid global . Pentru Germania, elipsoidul Bessel, deplasat cu 606 m, 23 m și 413 m, se potrivește cel mai bine și dă data Potsdam .

Alegerea elipsoidului de referință

Un elipsoid de referință servește ca o suprafață de calcul strict geometrică care ar trebui să se agațe de geoid cât mai bine posibil în regiune. În Europa și Asia, elipsoidul Bessel din 1841 este cel mai frecvent. Acesta a fost calculat de Bessel printr-o ajustare combinată a tuturor măsurătorilor de 10 grade disponibile în acel moment , astfel încât să se adapteze bine la curbura medie a pământului în toată Europa și în Asia de Sud. Ca cel mai apropiat elipsoid al Eurasiei, ar avea abateri verticale care statistic cad la fel de des în toate cele patru direcții cardinale. Cu toate acestea, acest lucru nu se aplică local, în special în munți și pe marginile continentale.

Dacă acum este calculat un sondaj național pe acest elipsoid (adică toate măsurătorile geodezice sunt proiectate pe acesta), trebuie să vă asigurați că abaterile verticale din starea respectivă sau zona înconjurătoare rămân cât mai mici posibil: elipsoidul este așadar poziționat în așa fel că este cea din mijloc în zona centrală a rețelei de topografie. Curbura pământului realizată.
Prin urmare, două state vecine pot folosi același elipsoid de referință, dar au o locație ușor diferită. Cele două sisteme de coordonate sunt similare, dar vor diferi cu câteva sute de metri.

Alegerea punctului fundamental

Această depozitare are loc în așa-numitul punct fundamental . Pe un observator situat central sau pe un stâlp de topografie , stelele sunt utilizate pentru a determina direcția exactă a bobului plumb ( longitudine și latitudine astronomică ), iar elipsoidul de referință este „împins” pe el exact pe verticală, adică. H. abaterea de la perpendiculară este setată la zero. Pentru sondajul național german, acest punct zero astronomic se află în fostul TP Rauenberg ( Berlin-Tempelhof ), pentru Austria lângă Viena, ambele folosesc elipsoidul Bessel . Elveția are un sistem complet diferit, cu punctul zero la vechiul observator din Berna (46 ° 57 ′ 3,89 ″ N, 7 ° 26 ′ 19,09 ″ E).

În așa-numita rețea europeană , statele din Europa de Vest din 1950 și cele din Europa Centrală din 1970 și-au introdus rezultatele măsurătorilor ca „cutie neagră” și au convenit asupra unui calcul comun la frontierele naționale respective. Acest lucru a dus la sistemele ED50 și ED79 , care se referă la un centru fictiv lângă München . Mai târziu, rețeaua europeană a fost recalculată pe elipsoidul global al WGS 84 și rigidizată utilizând geodezie prin satelit ; este recalculat ca ETRF la fiecare câțiva ani și se referă la centrul de greutate al pământului (geocentrul).

Sistemul monarhiei dunărene și al Germaniei

Rețeaua de topografie Austria-Ungaria și data sa MGI au o istorie specială . Inițial, existau 7 sau 8 puncte fundamentale pentru regiunile individuale. La sfârșitul secolului al XIX-lea, Hermannskogel (585 m) lângă Viena, care se afla aproape în centrul întregului stat, a fost ales ca punct zero comun . Cu toate acestea, din moment ce Austria a devenit un stat mic, locația centrală a unei periferii estice s-a schimbat , astfel încât abaterile verticale din vest au devenit foarte mari. Din fericire, geodez Karl Ledersteger recunoscut în jurul anului 1930 că deviația verticală absolută a Hermannskogel devine aproape zero când Albrechtian diferența de lungime Ferro-Greenwich este rotunjit la 17 ° 39'46.02 „la 17 ° 40'00“ - care a fost cazul de atunci se întâmplă cu un dublu avantaj.

Și Germania și-a determinat datele geodezice folosind un elipsoid de referință și un punct fundamental . Elipsoidul Bessel a fost depozitat în punctul trigonometric Rauenberg și, din 1945, a fost numit Potsdam Datum (PD) de către armata SUA . Cu toate acestea, introducerea WGS 84 a precedat germanizarea ca „dată Rauenberg”.

În cazul unei mari proporții a sondajului național și / sau a unor abateri puternice de la instalații, abaterile dintre locație și coordonatele calculate pot lua proporții considerabile. Așa-numitele puncte Laplace pot oferi îmbunătățiri semnificative aici prin faptul că nu se leagă elipsoidul de un punct, ci mai degrabă îl încadrează ca mediator.

Sistemele mondiale GRS 80 și WGS 84

Succesele geodeziei și navigației prin satelit din anii 1960 au fost decisive pentru această creștere a preciziei . Pe această bază, IUGG 1979 a definit sistemul de referință global GRS80 și elipsoidul său de pământ cu o precizie de 1 m. SUA l-au dezvoltat în continuare în Sistemul Geodezic Mondial ca WGS 84 .

Alte sisteme din Germania și Europa de Vest

Majoritatea sondajelor naționale germane folosesc încă elipsoidul Bessel cu sistemul de coordonate Gauß-Krüger pentru coordonatele metrice plane. În plus, în Mecklenburg-Pomerania de Vest și Saxonia-Anhalt sistemul fostei RDG , cu o harta Gauss-Krüger pe Krassowski elipsoidală și în Berlin , harta Soldner pe elipsoid Bessel se aplică în continuare.

La nivel european occidental și central, data europeană ED50 a fost definită în 1950 pe Elipsoidul internațional 1924 ( Elipsoidul Hayford ). Coordonatele UTM sunt, de asemenea, calculate cu referire la ED50.

Pentru a avea o suprafață de calcul uniformă și modernă la nivel european și internațional, autoritățile de supraveghere din statele federale din Germania convertesc în prezent sistemele de referință. Data utilizată este Sistemul european de referință terestru 1989 ( ETRS89 ) care utilizează elipsoidul sistemului de referință geodezic 1980 ( GRS80 ) . Trecerea de la coordonatele Gauß-Krüger la coordonatele UTM merge mână în mână cu schimbarea datei de la PD la ETRS89.

Relația cu geoidul și centrul de greutate

În Austria , datorită influenței Alpilor, geoidul se află la 43-52 metri deasupra elipsoidului pământesc definit în WGS 84. Fluctuația mare de 10 metri, cu toate acestea, scade în data de Austria la -2,5 la 3,5 metri. Această dată a Rețelei de înregistrare federale austriece se referă la un elipsoid Bessel care este deplasat în direcțiile X, Y, Z cu 596, 87 și 473 metri.

Pentru elipsoidul Bessel din Germania și „data Potsdam”, deplasările analogice sunt de 606, 23 și 413 metri în direcția XYZ (convenția internațională a 3 axe: X / Y este planul ecuatorial geocentric, Z axa pământului , X indică primul meridian, care trece și prin Greenwich). În coordonatele naționale elvețiene se referă la data la care CH1903 .

Vezi si

literatură

  • Bernhard Heckmann: Introducerea sistemului de referință de poziție ETRS89 / UTM la trecerea la ALKIS. În: Mitteilungen des DVW Hessen-Thüringen, 1/2005, p. 17 și urm.
  • NIMA - Agenția Națională de Imagistică și Cartografiere: Departamentul Apărării Sistemul Geodezic Mondial 1984. Raport tehnic, TR 8350.2, ediția a III-a, ianuarie 2000.
  • Agenția de cartografiere a apărării: rețelele universale - Universal Transverse Mercator (UTM) și Universal Polar Stereographic (UPS). Manual tehnic DMA, DMATM 8358.2, septembrie 1989.
  • Ralf Strehmel: Sistem oficial de referință pentru situație - ETRS89. Topografie Brandenburg, 1/1996 ( PDF ).
  • Bernhard Heck: Metode de calcul și modele de evaluare pentru topografia națională. Karlsruhe 1987.

Lista unor definiții de date

Referințe

  1. ↑ Seria de standarde DIN 18709: Termeni, abrevieri și simboluri în geodezie - Partea 6: Sisteme de referință geodezice și suprafețe de referință Ediția 2016-04. Beuth-Verlag Berlin 2016
  2. ↑ Data Definiții US National Survey Geodezic Data Definiții
  3. ↑ DIN EN ISO 19111: 2007-10: Informații geografice - Referințe spațiale pe coordonate. Ediția 2007-10. Berlin: Beuth Verlag GmbH
  4. ↑ Grup de lucru al administrațiilor de topografie ale statelor federale ale Republicii Federale Germania: Noțiuni de bază geodezice ( Memento din 24 ianuarie 2016 în Arhiva Internet )
  5. ↑ NASA (Ed.): EGM96 și EGM2008 Geoids . 6 ianuarie 2020 ( usna.edu [accesat la 9 aprilie 2020]).

Link-uri web