Inom geodesi uppstår uppgiften att övergå mellan olika koordinatsystem från förekomsten av flera koordinatsystem som har uppstått över hela världen över tiden. Användningen av olika koordinatsystem för att lösa praktiska problem inom geodesi , kartografi , navigering och i geografiska informationssystem är oundviklig. Det finns flera typer av koordinattransformationer: övergång mellan olika koordinatformat , övergång mellan olika koordinatsystem och kartprojektioner och datumtransformation . Alla dessa typer av transformation kommer att diskuteras i den här artikeln. [ett]
Att ange en geografisk plats innebär vanligtvis att förmedla platsens latitud och longitud . Numeriska värden för latitud och longitud kan representeras i flera olika typer av enheter och format: [2]
sexagesimal : grader, minuter och sekunder: 40° 26′ 46″ N 79° 58′ 56″ W
grader och decimalminuter: 40° 26.767′ N 79° 58.933′ W
decimalgrader : 40,446° N 79,982° W
Det är 60 minuter i en grad och 60 sekunder i en minut. Därför kan du använda formeln för att konvertera från grader/minuter/sekunder till decimalgrader:
decimalgrader=grader+minuter/60+sekunder/3600.
För att konvertera tillbaka från formatet decimalgrader till formatet grader/minuter/sekunder, kan du använda formlerna:
grader = [decimalgrader]
minuter =[60*(decimalgrader-grader)]
sekunder =3600*(decimalgrader-grader)-60*minuter
där notationen [ x ] betyder att du måste ta heltalsdelen av x och hänvisa till " hyllfunktionen ".
En transformation av koordinatsystem är en övergång från ett koordinatsystem till ett annat, med båda koordinatsystemen baserade på samma geodetiska datum. Ofta är transformationsuppgiften att byta från ett geodetiskt koordinatsystem till rektangulära koordinater, eller att ändra från en kartprojektion till en annan.
De rektangulära koordinaterna för punkter i rymden kan beräknas från de kända geodetiska koordinaterna för dessa punkter (latitud B, longitud L, höjd H) med hjälp av formlerna: [3]
var
där och är ekvatorial (halvstor axel) respektive polär radie (halv axel). är kvadraten på ellipsoidens första excentricitet . krökningsradien för den första vertikalen är avståndet längs normalen till ellipsoiden från skärningspunkten mellan ellipsoidens yta och normalen till oZ-axeln (fig. 1).
När man flyttar från rektangulära rumsliga koordinater till ett geodetiskt koordinatsystem (som WGS84 ), behöver geodetiska latituder B och höjder H ofta beräknas iterativt, det vill säga genom att utföra successiva approximationer. Vad gäller longituderna L så beräknas de på vanligt sätt.
Det finns flera metoder för att beräkna geodetiska breddgrader och höjder, vi kommer att överväga två av dem.
Newton-Raphson-metodenFöljande irrationella Bowring-ekvation [4] för geodetisk latitud löses med den iterativa metoden Newton-Raphson : [5] [6]
var ,
Latitud B kan hittas från ekvationen .
Höjd H beräknas som:
En iteration kan konverteras till följande form:
var
En konstant är ett bra startvärde för en iteration när . Bowring visade att i sådana fall ger den första iterationen redan en tillräckligt exakt lösning. Han använde ytterligare trigonometriska funktioner i sin ursprungliga formulering.
Ferrari beslutOvanstående ekvation för kan lösas med Ferrari-metoden : [7] [8]
Tillämpar Ferraris beslut
Det finns ett antal metoder och algoritmer, men den mest exakta, enligt Zhu [9] , är följande sekvens etablerad av Heikkinen [10] . Det antas att de geodetiska parametrarna är kända.
Notera: arctan2 [Y, X] är den bakre tangenten till de fyra kvadranterna.
Power seriesFör liten e 2 utgår kraftserien från
Omvandlingen från geodetiska koordinater till ENU topocentriska koordinater består av två steg:
För att omvandla rektangulära koordinater till topocentriska koordinater behöver du känna till startpunkten för det topocentriska koordinatsystemet, vanligtvis ligger den vid någon observationspunkt. Om observationen görs vid punkten , och det observerade objektet är vid , har radievektorn för denna riktning i ENU-koordinatsystemet formen:
Transformation av koordinater från ENU topocentriskt koordinatsystem till rektangulärt.Genom invers transformation av koordinater från ett rektangulärt system får vi ett topocentriskt koordinatsystem:
Att konvertera koordinater och positioner på kartan mellan olika kartprojektioner , bundna till samma geodetiska yta , kan göras antingen med formler för direkt övergång från en projektion till en annan, eller först omvandlas projektionen till ett mellanliggande koordinatsystem, som rektangulärt, och redan från det in i projektionen . Formlerna som används kan vara komplexa, i vissa fall har transformationen inte en sluten formlösning, och ungefärliga metoder måste användas. Vanligtvis används datorprogram för att utföra koordinattransformationsuppgifter, till exempel med programmet GEOTRANS som stöds av DoD och NGA. [elva]
Transformationer mellan datum kan göras på olika sätt. Det finns transformationer som låter dig göra en direkt övergång från de geodetiska koordinaterna för en datum till de geodetiska koordinaterna för en annan datum. Det finns mindre direkta övergångar som konverterar geodetiska koordinater till geocentriska (ECEF), konverterar geocentriska koordinater från en datum till en annan, och sedan konverterar en annan datums geocentriska koordinater tillbaka till geodetiska. Det finns också projektionstransformationer som låter dig göra en direkt övergång från ett (datum, projektion) par till ett annat (datum, projektion) par.
Projektionstransformationer gör att du kan göra en direkt övergång från koordinaterna på kartan för ett (kartprojektion, datum) par till koordinaterna på kartan för ett annat (kartprojektion, datum) par. Ett exempel är NADCON-metoden för att konvertera från 1927 års nordamerikanska datum (NAD) till 1983 års NAD datum [12] . High Accuracy Reference Network (HARN), en högprecisionsversion av NADCON-transformerna, har en noggrannhet på cirka 5 centimeter. National Transformation version 2 ( NTv2 ) är den kanadensiska versionen av NADCON till övergång mellan NAD 1927 och NAD 1983 . HARN-metoder är också kända som NAD 83/91 och High Precision Grid Networks (HPGN) [13] . Därefter antog Australien och Nya Zeeland själva NTv2-formatet för att skapa projektionstransformationsmetoder för övergångar mellan sina egna lokala datum.
Liksom transformationer med multipla regressionsekvationer använder projektionsmetoder lågordningsinterpolation för att transformera kartkoordinater, men i två utrymmen istället för tre. NOAA tillhandahåller programvara (som en del av NGS Geodetic Toolkit) för att producera NADCON-transformationer. [14] [15]
Molodensky-transformationen låter dig göra en direkt övergång mellan de geodetiska koordinaterna för olika datum utan att behöva en mellanliggande övergång till geocentriska koordinater. [16] Det kräver tre förskjutningar mellan koordinatsystemens centra och skillnader mellan halvstoraxlarna och kompressionsparametrarna för referensellipsoiderna.
Molodensky-transformen används av National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) i deras vitbok TR8350.2, såväl som i det NGA-stödda GEOTRANS-programmet. [17] Molodensky-transformationen var populär före tillkomsten av moderna datorer, och metoden är en del av många geodetiska program.
Datumtransformationer med empiriska multipla regressionsmetoder utformades för att uppnå större noggrannhet för små geografiska regioner än de vanliga Molodensky-transformationerna. Transformationsdata används för att omvandla lokala datum som genereras för kontinenter eller mindre regioner till globala datum som WGS 84 . [18] NIMA TM 8350.2, Appendix D [19] listar transformationer som använder multipla regressionsekvationer från flera lokala datum till WGS 84 , med en noggrannhet på cirka 2 meter. [tjugo]
Metoden med multipla regressionsekvationer tillåter direkt transformation av geodetiska koordinater utan mellanliggande konvertering till geocentriska koordinater. De geodetiska koordinaterna i den nya datum B modelleras som polynom upp till nionde graden i de geodetiska koordinaterna för den ursprungliga datum A. Till exempel kan inkrementet dekomponeras som (endast kvadratisk expansion visas):
var
för och liknande ekvationer byggs. Med ett tillräckligt antal koordinatpar (A, B) för punkter i båda datumen, för bra statistik, används multipla regressionsmetoder för att passa parametrarna för dessa polynom. Polynomen, tillsammans med de anpassade koefficienterna, bildar de multipla regressionsekvationerna.
Att använda Helmert-transformen när man går från geodetiska koordinater för ett datum till geodetiska koordinater för ett datum sker i tre steg:
1 Konvertera geodetiska koordinater för datumet till geocentriska;
2 Tillämpa Helmert-transformen, med lämpliga transformationsparametrar för , för att gå från geocentriska datumkoordinater till geocentriska datumkoordinater ;
3 Konvertera geocentriska koordinater till geodetiska koordinater för ett datum .
För geocentriska XYZ-koordinater har Helmert-transformen formen: [21]
Helmert-transformen är en transform med sju element med tre offsetparametrar , tre rotationsparametrar och en skalparameter . Helmert-transformen är en ungefärlig metod som endast kan anses korrekt när transformationsparametrarna är små jämfört med värdena för vektorerna i det geocentriska koordinatsystemet. Under dessa förhållanden kan omvandlingen anses reversibel. [22]
Helmert-transformen med fjorton parametrar, med ett linjärt tidsberoende för varje parameter, kan användas för att observera tidsvariationer av geografiska koordinater på grund av geomorfologiska processer såsom kontinentaldrift [23] och jordbävningar . [24] Den har konverterats till programvara som HTDP-verktyget (Horizontal Time Dependent Positioning) i US NGS-programvaran. [25]
För att frikoppla Helmert-transformens offset och rotationer kan ytterligare tre parametrar användas för att få ett nytt XYZ-rotationscentrum närmare koordinaterna som transformeras. Denna transformation med tio parametrar kallas Molodensky-Badekas-transformationen och bör inte förväxlas med den enklare Molodensky- transformationen .
Som när du använder Helmert-transformen, består användningen av Molodensky-Badekas-transformen av tre steg:
Transformationen har formen [26] :
var är ursprunget för omkastningen och skaltransformationen, och är skalfaktorn.Molodensky-Badekas-transformationen används för att konvertera lokala geodetiska datum till globala datum såsom WGS 84 . Till skillnad från Helmert-transformationen är Molodensky-Badekas-transformationen irreversibel på grund av att ursprunget för omkastningen hänvisar till det ursprungliga datumet.