Geodéziai koordinátarendszerek átalakítása

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. szeptember 27-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 8 szerkesztést igényelnek .

A geodéziában a különböző koordinátarendszerek közötti átmenet feladata több koordináta-rendszer létezéséből adódik, amelyek az idők során világszerte felmerültek. Elkerülhetetlen a különböző koordinátarendszerek alkalmazása a geodéziai , térképészeti , navigációs és földrajzi információs rendszerek gyakorlati problémáinak megoldásában . Többféle koordináta-transzformáció létezik: átmenet a különböző koordinátaformátumok között , átmenet a különböző koordináta-rendszerek és térképi vetületek között, valamint a nullapont -transzformáció . Ebben a cikkben az összes ilyen típusú átalakításról lesz szó. [egy]

A formátum és a mértékegységek módosítása

Egy földrajzi hely kijelölése általában a hely szélességi és hosszúsági fokának közlését jelenti . A szélességi és hosszúsági fokok számértékei többféle mértékegységben és formátumban is ábrázolhatók: [2]

hatszázalékos : fok, perc és másodperc: 40° 26′ 46″ É 79° 58′ 56″ ny

fok és tizedesperc: 40° 26,767′ é. 79° 58,933′ ny

tizedes fok : 40,446° é. sz. 79,982° ny

Egy fokban 60 perc, egy percben 60 másodperc van. Ezért a fok/perc/másodperc értékről decimális fokra konvertálásához használhatja a következő képletet:

decimális fok=fok+perc/60+másodperc/3600.

A decimális fokos formátumról a fok/perc/másodperc formátumra való visszaváltáshoz használhatja a képleteket:

fok = [tizedes fok]

perc =[60*(tizedes fok-fok)]

másodperc =3600*(tizedes fok-fok)-60*perc

ahol az [ x ] jelölés azt jelenti, hogy ki kell venni az x egész részét , és hivatkozni kell a „ polcfüggvényre ”.

Átmenet a különböző koordinátarendszerek között

A koordinátarendszer - transzformáció  az egyik koordinátarendszerből a másikba való átmenet, mindkét koordinátarendszer ugyanazon a geodéziai adatponton alapul. Az átalakítási feladat gyakran az, hogy geodéziai koordinátarendszerről derékszögű koordinátára váltsunk, vagy egyik térképi vetületről a másikra váltunk.

Geodéziai koordinátarendszerből téglalap alakúra

A térben lévő pontok derékszögű koordinátáit ezen pontok ismert geodéziai koordinátáiból (B szélesség, L hosszúság, H magasság) a következő képletekkel számíthatjuk ki: [3]

ahol

ahol és  az egyenlítői (fél-nagytengely), illetve a poláris sugarak (fél-kistengely). az ellipszoid  első excentricitásának négyzete. az elsõ függõleges görbületi sugara az ellipszoid felületének és a normálisnak az oZ tengelyre való metszéspontjától a normál mentén mért távolság az ellipszoidtól (1. ábra ) .

A derékszögűtől a geodetikusig

A téglalap alakú térkoordinátákról egy geodéziai koordinátarendszerre (például WGS84 ) való áttéréskor a B geodéziai szélességeket és a H magasságokat gyakran iteratív módon, azaz egymást követő közelítések végrehajtásával kell kiszámítani. Ami az L hosszúságot illeti, azokat a szokásos módon számítják ki.

Számos módszer létezik a geodéziai szélességek és magasságok kiszámítására, ezek közül kettőt fogunk figyelembe venni.

Newton-Raphson módszer

A következő irracionális Bowring-egyenlet [4] geodéziai szélességre a Newton-Raphson iteratív módszerrel van megoldva : [5] [6]

hol ,

A B szélesség megtalálható az egyenletből .

A H magasság kiszámítása a következőképpen történik:

Az iteráció a következő formára konvertálható:

ahol

A konstans jó kezdőérték egy iterációhoz, amikor . Bowring kimutatta, hogy ilyen esetekben már az első iteráció kellően pontos megoldást ad. Eredeti megfogalmazásában további trigonometrikus függvényeket alkalmazott.

Ferrari döntés

A fenti egyenlet a Ferrari módszerrel megoldható : [7] [8]

A Ferrari döntésének alkalmazása

Számos módszer és algoritmus létezik, de Zhu [9] szerint a legpontosabb a Heikkinen [10] által felállított következő sorrend . Feltételezzük, hogy a geodéziai paraméterek ismertek.

Megjegyzés: arctan2 [Y, X] a négy kvadráns hátsó érintője.

Teljesítménysorozat

A kis e 2 -nél a teljesítménysor tól indul

Átmenet a geodéziai koordinátarendszerről az ENU-ra és fordítva

A geodéziai koordinátákról az ENU topocentrikus koordinátáira történő átalakítás két lépésből áll:

  1. Koordináták konvertálása geodéziai rendszerből téglalap alakúra.
  2. Koordinátakonverzió téglalapból topocentrikus ENU koordinátarendszerbe.
Koordináták konvertálása téglalapból topocentrikus ENU-koordinátákba

A derékszögű koordináták topocentrikus koordinátákká alakításához ismernie kell a topocentrikus koordinátarendszer kezdőpontját, általában valamilyen megfigyelési ponton található. Ha a megfigyelést a pontban végezzük , és a megfigyelt objektum a pontban van, akkor ennek az iránynak a sugárvektora az ENU koordinátarendszerben a következő alakú:

Koordináták átalakítása ENU topocentrikus koordinátarendszerből téglalap alakúra.

A téglalap alakú rendszer koordinátáinak fordított transzformációjával topocentrikus koordinátarendszert kapunk:

Váltás másik térképvetítésre

A koordináták és pozíciók konvertálása a térképen a különböző , ugyanahhoz a geodéziai felülethez kötött térképi vetületek között történhet az egyik vetületből a másikba való közvetlen átmenet képleteivel, vagy először a vetületet egy közbülső koordinátarendszerré konvertálják, például téglalap alakúra, és már onnan a vetületbe . Az alkalmazott képletek összetettek lehetnek, esetenként az átalakításnak nincs zárt alakú megoldása, közelítő módszereket kell alkalmazni. Általában számítógépes programokat használnak koordináta-transzformációs feladatok végrehajtására, például a DoD és az NGA által támogatott GEOTRANS programmal. [tizenegy]

Nullaponttranszformációk

A dátumok közötti transzformáció többféleképpen is elvégezhető. Vannak olyan transzformációk, amelyek lehetővé teszik, hogy egy nullapont geodéziai koordinátáiról közvetlenül egy másik nullapont geodéziai koordinátáira térjünk át. Vannak kevésbé közvetlen átmenetek, amelyek a geodéziai koordinátákat geocentrikussá (ECEF), a geocentrikus koordinátákat egyik nullpontról a másikra konvertálják, majd egy másik adatpont geocentrikus koordinátáit visszafordítják geodéziaivá. Léteznek olyan vetületi transzformációk is, amelyek lehetővé teszik az egyik (nullapont, vetületi) párról a másikra (nullapont, vetítés) való közvetlen átmenetet.

Vetítési transzformációk

A vetületi transzformációk lehetővé teszik, hogy közvetlen átmenetet hajtson végre a térképen lévő koordinátákról egy (térképi vetület, dátum) pár esetén a térképen lévő koordinátákra egy másik (térképi vetület, dátum) pár esetében. Példa erre a NADCON módszer az 1927-es észak-amerikai adatról (NAD) az 1983 -as NAD adatra [12] . A High Accuracy Reference Network (HARN), a NADCON transzformációk nagy pontosságú változata, körülbelül 5 centiméteres pontossággal rendelkezik. A National Transformation 2-es verziója ( NTv2 ) a NADCON kanadai verziója, amely a NAD 1927 és a NAD 1983 közötti átmenetre szolgál . A HARN módszerek NAD 83/91 és High Precision Grid Networks (HPGN) néven is ismertek [13] . Ezt követően Ausztrália és Új-Zéland elfogadta maguknak az NTv2 formátumot, hogy saját helyi adataik közötti átmenetekhez projekciós transzformációs módszereket hozzanak létre.

A többszörös regressziós egyenleteket használó transzformációkhoz hasonlóan a vetítési módszerek is alacsony rendű interpolációt használnak a térképkoordináták transzformációjához, de három helyett két térben. A NOAA szoftvert biztosít (az NGS Geodetic Toolkit részeként) a NADCON transzformációk előállításához. [14] [15]

Molodensky átalakulása

A Molodensky-transzformáció lehetővé teszi, hogy közvetlen átmenetet hozzon létre a különböző adatpontok geodéziai koordinátái között anélkül, hogy közbenső átmenetre lenne szükség a geocentrikus koordinátákra. [16] Három eltolást igényel a koordinátarendszerek középpontjai, valamint a fél-főtengelyek és a referenciaellipszoidok tömörítési paraméterei közötti különbségek.

A Molodensky transzformációt az Országos Térinformatikai Hírszerző Ügynökség (NGA) használja a TR8350.2 számú fehér könyvében, valamint az NGA által támogatott GEOTRANS programban. [17] A Molodensky-transzformáció a modern számítógépek megjelenése előtt népszerű volt, és a módszer számos geodéziai program része.

Több regressziós egyenlet

Az empirikus többszörös regressziós módszerekkel végzett nullponttranszformációkat úgy tervezték, hogy kisebb földrajzi régiókra nagyobb pontosságot érjenek el, mint a standard Molodensky-transzformációk. Az átalakítási adatok a kontinensekre vagy kisebb régiókra generált helyi adatok globális adatpontokká, például WGS 84 -be való konvertálására szolgálnak . [18] A NIMA TM 8350.2, D függelék [19] több regressziós egyenletet használó transzformációkat sorol fel több lokális adatból a WGS 84 -be, körülbelül 2 méteres pontossággal. [húsz]

A többszörös regressziós egyenletek módszere lehetővé teszi a geodéziai koordináták közvetlen transzformációját anélkül, hogy közbenső átalakítást végeznénk geocentrikus koordinátákká. Az új B adatpont geodéziai koordinátái polinomként vannak modellezve az eredeti A geodéziai koordináták kilencedik fokáig. Például a növekmény a következőképpen bontható fel (csak a másodfokú bővítés látható):

ahol

számára és hasonló egyenletek épülnek fel. Elegendő számú koordinátapár (A, B) esetén mindkét adatpontban a jó statisztika érdekében többszörös regressziós módszereket alkalmaznak e polinomok paramétereinek illesztésére. A polinomok az illesztett együtthatókkal együtt alkotják a többszörös regressziós egyenleteket.

Helmert transzformáció

A Helmert-transzformáció használata , amikor egy nullapont geodéziai koordinátáiról a nullapont geodéziai koordinátáira lép, három lépésből áll:

1 Konvertálja a nullapont geodéziai koordinátáit geocentrikussá;

2 A Helmert-transzformáció alkalmazása a megfelelő transzformációs paraméterekkel , hogy a geocentrikus nullapont koordinátákról a geocentrikus nullapont koordinátákra lépjünk ;

3 Geocentrikus koordináták átalakítása nullapont geodéziai koordinátáivá .

Geocentrikus XYZ koordináták esetén a Helmert transzformáció a következő formában van: [21]

A Helmert-transzformáció egy hét elemű transzformáció három eltolási paraméterrel , három elforgatási paraméterrel és egy skálaparaméterrel . A Helmert-transzformáció egy közelítő módszer, amely csak akkor tekinthető pontosnak, ha a transzformációs paraméterek kicsik a geocentrikus koordináta-rendszer vektorainak értékéhez képest. Ilyen körülmények között az átalakulás reverzibilisnek tekinthető. [22]

A tizennégy paraméteres Helmert-transzformáció, amely minden paraméterhez lineáris időfüggő, felhasználható a földrajzi koordináták időbeli változásának megfigyelésére olyan geomorfológiai folyamatok miatt, mint a kontinens-sodródás [23] és a földrengések . [24] Olyan szoftverré alakították át, mint például a Horizontal Time Dependent Positioning (HTDP) eszköz az amerikai NGS szoftverben. [25]

Molodensky-Badekas átalakulás

A Helmert-transzformációs eltolások és elforgatások szétválasztásához három további paraméter használható, hogy egy új XYZ forgatási középpont közelebb kerüljön a transzformálandó koordinátákhoz. Ezt a tízparaméteres transzformációt Molodensky-Badekas transzformációnak nevezik, és nem szabad összetéveszteni az egyszerűbb Molodensky transzformációval .

A Helmert transzformációhoz hasonlóan a Molodensky-Badekas transzformáció három lépésből áll:

  1. Egy nullapont geodéziai koordinátáinak átalakítása geocentrikussá.
  2. A Molodensky-Badekas transzformáció alkalmazása a megfelelő transzformációs paraméterekkel , hogy a geocentrikus nullapont koordinátákról a geocentrikus nullapont koordinátákra lépjünk át .
  3. Konvertálja a geocentrikus koordinátákat egy nullapont geodéziai koordinátáivá .

A transzformáció alakja [26] :

ahol  a megfordítási és léptéktranszformáció origója, valamint  a léptéktényező.

A Molodensky-Badekas transzformációt arra használják, hogy a helyi geodéziai dátumokat globális adatokká alakítsák át, mint például a WGS 84 . A Helmert transzformációtól eltérően a Molodensky-Badekas transzformáció visszafordíthatatlan, mivel a megfordítás origója az eredeti dátumra vonatkozik.

Lásd még

Irodalmi hivatkozások

  1. Roger Foster Dan Mullaney Alapvető geodéziai cikk 018: Konverziók és átalakítások (2014. március 4.). Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2020. november 27.
  2. Nagy-Britannia hadianyag-felmérés. koordináta transzformátor . Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 12.
  3. B. Hofmann-Wellenhof H. Lichtenegger J. Collins. GPS - elmélet és gyakorlat. — 282 p. — ISBN 3-211-82839-7 .
  4. Bowring BR átalakítása térbeli koordinátákról földrajzi koordinátákra // Surv. Rev.. - 1976. - V. 23 , 181. sz . - S. 323-327 . - doi : 10.1179/003962676791280626 .
  5. Fukushima, T. Fast Transform from Geocentric to Geodetic Coordinates  //  J. Geod. : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 73 , sz. 11 . - P. 603-610 . - doi : 10.1007/s001900050271 . (B. függelék)
  6. Sudano, JJ (1997). "Pontos konverzió a Föld-központú koordinátarendszerről szélességre, hosszúságra és magasságra". doi:10.1109/NAECON.1997.622711
  7. Közvetlen transzformáció geocentrikusról geodéziai koordinátára // Vermeille, HH J. Geod .. - 2002. - T. 76 . - S. 451-454 . - doi : 10.1007/s00190-002-0273-6 .
  8. Irene PoloBlanco Gonzalez-Vega. Vermeille és Borkowski polinomok szimbolikus elemzése 3D derékszögű koordinátákká alakításához // J. Geod.. - 2009. - V. 83 . - S. 1071-1081 . - doi : 10.1007/s00190-009-0325-2 .
  9. J. Zhu. Földközéppontú, Földhöz rögzített koordináták konvertálása geodéziai koordinátákká // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. - 1994. - T. 30 . - S. 957-961 . - doi : 10,1109/7,303772 .
  10. M.Heikkinen. Geschlossene formeln zur berechnung räumlicher geodätischer koordinaten aus rechtwinkligen koordinaten // Z. Vermess .. - 1982. - T. 107 . - S. 207-211 .
  11. MSP GEOTRANS 3.3 (földrajzi fordító) (lefelé irányuló kapcsolat) . NGA: Coordinate Systems Analysis Branch. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. március 15. 
  12. ArcGIS Súgó 10.1: Grid alapú módszerek . ESRI. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2019. december 4..
  13. NADCON/HARN Nullaponteltolási módszer . bluemarblegeo.com. Hozzáférés dátuma: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. március 6.
  14. NADCON - 4.2-es verzió . NOAA. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2021. május 6..
  15. Donald M. Mulcare. NGS Toolkit, 8. rész: Az Országos Geodéziai Felmérés NADCON eszköze (nem elérhető link) . Szakmai Földmérő Magazin. Az eredetiből archiválva: 2014. március 6. 
  16. ArcGIS Súgó 10.1: Egyenlet alapú módszerek . ESRI. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2019. december 4..
  17. Nullaponttranszformációk . Országos Térinformatikai Hírszerző Ügynökség. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. október 9..
  18. Felhasználói kézikönyv a WGS 84-et érintő nullapont-transzformációkról(3. kiadás), Különkiadvány sz. 60, Monaco: International Hydrographic Bureau, 2008. augusztus , < https://web.archive.org/web/20160412230130/http://www.iho.int/iho_pubs/standard/S60_Ed3Eng.pdf > . Letöltve: 2017. január 10 . 
  19. VÉDELMI OSZTÁLY VILÁGGEODÉZIAI RENDSZER 1984 Definíciója és kapcsolatai a helyi geodéziai rendszerekkel . Nemzeti Képalkotási és Térképészeti Ügynökség (NIMA). Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. április 11.
  20. Taylor Chuck. Nagy pontosságú nullapont-transzformációk . Hozzáférés dátuma: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2013. január 4.
  21. Nullaponttranszformációhoz használt egyenletek . Földinformáció Új-Zéland (LINZ). Hozzáférés dátuma: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. március 6.
  22. Geomatikai útmutatás 7. szám, 2. rész Koordinátakonverziók és -transzformációk, beleértve a képleteket (a hivatkozás nem elérhető) . Olaj- és Gáztermelők Nemzetközi Szövetsége (OGP). Az eredetiből archiválva: 2014. március 6. 
  23. Paul Bolstad. GIS Fundamentals, 4. kiadás . — Atlasz könyvek. — 93 p. - ISBN 978-0-9717647-3-6 .
  24. Kiegészítés a NIMA TR 8350.2-hez: A világ geodéziai rendszerének megvalósítása 1984 (WGS 84) G1150 referenciakeret . Országos Térinformatikai Hírszerző Ügynökség. Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2012. május 11.
  25. HDDP - Vízszintes időfüggő pozicionálás . US National Geodetic Survey (NGS). Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2019. november 25.
  26. Molodensky-Badekas (7+3) Átváltozások . National Geospatial Intelligence Agency (NGA). Letöltve: 2019. december 9. Az eredetiből archiválva : 2013. július 19.

Jegyzetek