Geodesiassa tehtävä siirtyä eri koordinaattijärjestelmien välillä syntyy useiden koordinaattijärjestelmien olemassaolosta, joita on syntynyt ympäri maailmaa ajan myötä. Erilaisten koordinaattijärjestelmien käyttö geodesian , kartografian , navigoinnin ja paikkatietojärjestelmien käytännön ongelmien ratkaisemisessa on väistämätöntä. Koordinaattimuunnoksia on useita tyyppejä: siirtyminen eri koordinaattimuotojen välillä , siirtyminen eri koordinaattijärjestelmien ja karttaprojektioiden välillä ja datum -muunnos . Kaikki nämä muunnostyypit käsitellään tässä artikkelissa. [yksi]
Maantieteellisen paikan osoittaminen tarkoittaa yleensä paikan leveys- ja pituusasteen ilmoittamista. Leveysasteen ja pituusasteen numeeriset arvot voidaan esittää useissa erilaisissa yksiköissä ja muodoissa: [2]
seksagesimaali : asteet, minuutit ja sekunnit: 40° 26′ 46″ N 79° 58′ 56″ W
asteet ja desimaaliminuutit: 40° 26,767′ N 79° 58,933′ W
desimaaliasteet : 40.446° N 79.982° L
Asteessa on 60 minuuttia ja minuutissa 60 sekuntia. Siksi voit muuntaa asteista/minuuteista/sekunnista desimaaliasteiksi käyttämällä kaavaa:
desimaaliasteet=asteet+minuutit/60+sekuntia/3600.
Voit muuntaa takaisin desimaaliastemuodosta asteet/minuutit/sekunnit muotoon käyttämällä kaavoja:
astetta = [desimaaliastetta]
minuuttia =[60*(desimaaliastetta-astetta)]
sekuntia =3600*(desimaaliastetta-astetta)-60*minuuttia
jossa merkintä [ x ] tarkoittaa, että sinun on otettava x :n kokonaislukuosa ja viitattava " hyllyfunktioon ".
Koordinaattimuunnos on siirtymä koordinaattijärjestelmästä toiseen, jolloin molemmat koordinaattijärjestelmät perustuvat samaan geodeettiseen dataan. Usein muunnostehtävänä on siirtyä geodeettisesta koordinaattijärjestelmästä suorakulmaisiin koordinaatteihin tai siirtyä karttaprojektiosta toiseen .
Avaruuden pisteiden suorakulmaiset koordinaatit voidaan laskea näiden pisteiden tunnetuista geodeettisista koordinaateista (leveysaste B, pituusaste L, korkeus H) kaavojen avulla: [3]
missä
missä ja ovat ekvatoriaalinen (puoli-suurakseli) ja napasäde (puoli-pieniakseli). on ellipsoidin ensimmäisen epäkeskisyyden neliö. ensimmäisen pystysuoran kaarevuussäde on etäisyys normaalia pitkin ellipsoidiin ellipsoidin pinnan ja normaalin pinnan leikkauspisteestä oZ-akseliin (kuva 1).
Kun siirrytään suorakaiteen muotoisista tilakoordinaateista geodeettiseen koordinaattijärjestelmään (kuten WGS84 ), geodeettiset leveysasteet B ja korkeudet H on usein laskettava iteratiivisesti, eli suorittamalla peräkkäisiä approksimaatioita. Mitä tulee pituusasteisiin L, ne lasketaan tavalliseen tapaan.
Geodeettisten leveysasteiden ja korkeuksien laskemiseen on useita menetelmiä, tarkastelemme niistä kahta.
Newton-Raphsonin menetelmäSeuraava irrationaalinen Bowring-yhtälö [4] geodeettiselle leveysasteelle on ratkaistu Newton-Raphsonin iteratiivisella menetelmällä : [5] [6]
missä ,
Leveysaste B löytyy yhtälöstä .
Korkeus H lasketaan seuraavasti:
Iteraatio voidaan muuntaa seuraavaan muotoon:
missä
Vakio on hyvä aloitusarvo iteraatiolle, kun . Bowring osoitti, että tällaisissa tapauksissa jo ensimmäinen iteraatio antaa riittävän tarkan ratkaisun. Hän käytti muita trigonometrisiä toimintoja alkuperäisessä muotoilussaan.
Ferrari päätösYllä oleva yhtälö voidaan ratkaista Ferrari-menetelmällä : [7] [8]
Ferrarin päätöksen soveltaminen
Menetelmiä ja algoritmeja on useita, mutta tarkin on Zhun [9] mukaan seuraava Heikkisen [10] laatima sekvenssi . Oletetaan, että geodeettiset parametrit tunnetaan.
Huomaa: arctan2 [Y, X] on neljän kvadrantin takatangentti.
TehosarjaPienen e 2 :n tehosarja alkaa
Muuntaminen geodeettisista koordinaateista ENU-toposentrisiksi koordinaatteiksi koostuu kahdesta vaiheesta:
Suorakaiteen muotoisten koordinaattien muuntamiseksi toposentrisiksi koordinaatteiksi sinun on tiedettävä toposentrisen koordinaattijärjestelmän aloituspiste, yleensä se sijaitsee jossain havaintopisteessä. Jos havainto tehdään pisteessä ja havaittava kohde on kohdassa , tämän suunnan sädevektori ENU-koordinaatistossa on muotoa:
Koordinaattien muunnos ENU toposentrisestä koordinaattijärjestelmästä suorakaiteen muotoiseksi.Käänteismuunnoksella suorakaiteen muotoisesta järjestelmästä saadaan toposentrinen koordinaattijärjestelmä:
Koordinaattien ja paikkojen muuntaminen kartalla eri , samaan geodeettiseen pintaan sidottujen karttaprojektioiden välillä voidaan tehdä joko käyttämällä kaavoja suoraa siirtymistä projektiosta toiseen tai ensin projektio muunnetaan välikoordinaattijärjestelmäksi, kuten suorakaiteen muotoiseksi, ja jo siitä projektioon . Käytettävät kaavat voivat olla monimutkaisia, joissain tapauksissa muunnoksella ei ole suljetun muodon ratkaisua ja on käytettävä likimääräisiä menetelmiä. Yleensä tietokoneohjelmia käytetään koordinaattimuunnostehtävien suorittamiseen esimerkiksi DoD:n ja NGA:n tukeman GEOTRANS-ohjelman kanssa. [yksitoista]
Datamien välisiä muunnoksia voidaan tehdä eri tavoin. On muunnoksia, joiden avulla voit tehdä suoran siirtymisen yhden datapisteen geodeettisista koordinaateista toisen datapisteen geodeettisiin koordinaatteihin. On olemassa vähemmän suoria siirtymiä, jotka muuntavat geodeettiset koordinaatit geosentrisiksi (ECEF), muuntavat geosentriset koordinaatit yhdestä datapisteestä toiseen ja muuntavat sitten toisen datapisteen geosentriset koordinaatit takaisin geodeettisiksi. On myös projektiomuunnoksia, joiden avulla voit tehdä suoran siirtymisen yhdestä (pistepiste, projektio) parista toiseen (datum, projektio) pariin.
Projektiomuunnosten avulla voit tehdä suoran siirtymisen kartan koordinaateista yhden (kartan projektio, datum) parin kartalla oleviin koordinaatteihin toiselle (karttaprojektio, datum) parille. Esimerkki on NADCON-menetelmä, jolla muunnetaan vuoden 1927 North American Datum (NAD) vuoden 1983 NAD -datumiin [12] . High Accuracy Reference Network (HARN), korkean tarkkuuden versio NADCON-muunnoksista, on noin 5 senttimetrin tarkkuus. National Transformation versio 2 ( NTv2 ) on kanadalainen NADCON-versio siirtymään NAD 1927:n ja NAD 1983 :n välillä . HARN-menetelmät tunnetaan myös nimellä NAD 83/91 ja High Precision Grid Networks (HPGN) [13] . Myöhemmin Australia ja Uusi-Seelanti ottivat käyttöön NTv2-muodon itselleen luodakseen projektiomuunnosmenetelmiä siirtymille omien paikallisten datapisteiden välillä.
Kuten muunnokset, joissa käytetään useita regressioyhtälöitä, projektiomenetelmät käyttävät matalan kertaluvun interpolointia karttakoordinaattien muuntamiseen, mutta kahdessa tilassa kolmen sijasta. NOAA tarjoaa ohjelmiston (osana NGS Geodetic Toolkit -työkalua) NADCON-muunnosten tuottamiseksi. [14] [15]
Molodensky-muunnoksen avulla voit tehdä suoran siirtymän eri datapisteiden geodeettisten koordinaattien välillä ilman välisiirtymää geosentrisiin koordinaatteihin. [16] Se vaatii kolme poikkeamaa koordinaattijärjestelmien keskipisteiden välillä sekä erot puolipääakseleiden ja vertailuellipsoidien puristusparametrien välillä.
National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) käyttää Molodensky-muunnosta valkoisessa kirjassaan TR8350.2 sekä NGA:n tukemassa GEOTRANS-ohjelmassa. [17] Molodensky-muunnos oli suosittu ennen nykyaikaisten tietokoneiden tuloa, ja menetelmä on osa monia geodeettisia ohjelmia.
Empiirisiä moniregressiomenetelmiä käyttävät peruspistemuunnokset suunniteltiin saavuttamaan suurempi tarkkuus pienillä maantieteellisillä alueilla kuin tavalliset Molodensky-muunnokset. Muunnosdataa käytetään maanosille tai pienemmille alueille luotujen paikallisten datamien muuntamiseen globaaleiksi datameiksi, kuten WGS 84 . [18] NIMA TM 8350.2, Liite D [19] luettelee muunnoksia käyttämällä useita regressioyhtälöitä useista paikallisista datapisteistä WGS 84 :ään , noin 2 metrin tarkkuudella. [kaksikymmentä]
Useiden regressioyhtälöiden menetelmä mahdollistaa geodeettisten koordinaattien suoran muuntamisen ilman välimuunnoksia geosentrisiksi koordinaatteiksi. Uuden datapisteen B geodeettiset koordinaatit mallinnetaan polynomeina yhdeksänteen asteeseen asti alkuperäisen datapisteen A geodeettisissa koordinaateissa. Inkrementti voidaan esimerkiksi hajottaa seuraavasti (näytetään vain neliölaajennus):
missä
for ja vastaavat yhtälöt rakennetaan. Kun molemmissa datapisteissä on riittävä määrä koordinaattipareja (A, B) pisteille, hyvän tilaston saamiseksi käytetään useita regressiomenetelmiä sovittamaan näiden polynomien parametrit. Polynomit yhdessä sovitettujen kertoimien kanssa muodostavat useita regressioyhtälöitä.
Helmert-muunnoksen käyttö , kun siirrytään datapisteen geodeettisista koordinaateista datapisteen geodeettisiin koordinaatteihin, tapahtuu kolmessa vaiheessa:
1 Muunna peruspisteen geodeettiset koordinaatit geosentrisiksi;
2 Helmert-muunnoksen käyttäminen sopivilla muunnosparametreilla , siirtyäksesi geosentrisistä datapistekoordinaateista geosentrisiksi peruspistekoordinaateiksi ;
3 Geosentristen koordinaattien muuntaminen datapisteen geodeettisiksi koordinaatteiksi .
Geosentrisille XYZ-koordinaateille Helmert-muunnos on muotoa: [21]
Helmert-muunnos on seitsemän elementin muunnos, jossa on kolme offset-parametria , kolme kiertoparametria ja yksi skaalausparametri . Helmert-muunnos on likimääräinen menetelmä, jota voidaan pitää tarkana vain, kun muunnosparametrit ovat pieniä verrattuna geosentrisen koordinaattijärjestelmän vektorien arvoihin. Näissä olosuhteissa muutosta voidaan pitää palautuvana. [22]
Neljäntoista parametrin Helmert-muunnosta, jossa on lineaarinen aikariippuvuus kullekin parametrille, voidaan käyttää maantieteellisten koordinaattien aikavaihtelun tarkkailuun geomorfologisista prosesseista , kuten mantereiden ajautumisesta [23] ja maanjäristyksistä . [24] Se on muunnettu ohjelmistoksi, kuten Horizontal Time Dependent Positioning (HTDP) -työkaluksi US NGS -ohjelmistossa. [25]
Helmert-muunnospoikkeamien ja rotaatioiden irrottamiseksi voidaan käyttää kolmea lisäparametria, jotta uusi XYZ-kiertokeskus saadaan lähemmäksi muunnettavia koordinaatteja. Tätä kymmenen parametrin muunnosa kutsutaan Molodensky-Badekas-muunnokseksi, eikä sitä pidä sekoittaa yksinkertaisempaan Molodensky- muunnokseen .
Kuten käytettäessä Helmert-muunnosta, Molodensky-Badekas-muunnos koostuu kolmesta vaiheesta:
Muunnoksen muoto on [26] :
missä on käänteis- ja skaalausmuunnoksen origo ja skaalaustekijä .Molodensky-Badekas-muunnosta käytetään paikallisten geodeettisten datapisteiden muuntamiseen globaaleiksi datameiksi, kuten WGS 84 . Toisin kuin Helmert-muunnos, Molodensky-Badekas-muunnos on peruuttamaton johtuen siitä, että käännöksen origo viittaa alkuperäiseen datamiin.