Теоретическая часть

Один из важных первых шагов в создании ГИС - выбор системы координат, которые вместе с масштабом, эллипсоидом и проекцией являются частью математической основы карты и ГИС в целом. Понимать такие термины как «система координат», «проекция» также чрезвычайно важно для обмена информацией с другими ГИС.

Объекты на карте связаны с реальными объектами на местности с помощью пространственных координат. Местоположение объектов на поверхности земли определяется при помощи географических координат. Хотя географические координаты хорошо подходят для определения местоположения объекта, они не годятся для определения его пространственных характеристик, таких как длина, площадь и т.д., так как географические широта и долгота не являются однозначными единицами измерения. Градус широты равен градусу долготы только на экваторе. Для преодоления этих трудностей, данные переводят из сферических географических координат, в прямоугольные спроектированные координаты.

Системы координат в которых осуществляется ввод данных и работа в ГИС могут отличаться от систем координат вывода. Например оцифровка материалов может проводиться в одной проекции, а составление макета карты и вывод данных на печать - в другой.

Географическая и спроектированная системы координат

Таким образом, существует 2 типа систем координат: географические системы координат и спроектированные системы координат.

Географическая система координат использует сферические (то есть трехмерные) угловые географические координаты (широту и долготу) базирующиеся одном из эллипсоидов (например, WGS 1984 или эллипсоиде Красовского). Эллипсоид (или сфероид) - фигура упрощенно описывающая форму Земли, характеризуется размерами большой и малой полуосей. Для представления географической системы координат визуально на плоскости (например на экране компьютера) иногда представляют широту как Y, долготу как X. В этом случае сеть меридианов и параллелей представляет собой на плоскости сетку с одинаковых размеров ячеей и выглядит таким образом:

Такое представление иногда называют географической проекцией.

Спроектированная система координат - прямоугольная система, с началом координат в определенной точке, чаще всего имеющей координаты 0,0. Спроектированная система координат связана с географической набором специальных формул - проекцией.

Локальная система координат

Не привязанные данные находятся в так называемой локальной системе координат, которая также является прямоугольной (у нее также есть начало координат и оси), но не имеет прямой связи с географической системой, то есть прямой пересчет из нее в географическую с помощью проекции невозможен (пример таких данных - отсканированная карта). То есть, получив данные в спроектированной системе координат, но не зная в какой именно системе эти данные находятся, можно также говорить, что данные находятся в локальной системе координат.

Распространенные географические системы координат.

Самыми распространенными системами координат для территории России являются: универсальная общеземная система WGS-84 (World Geodetic System - 1984) базирующаяся на эллипсоиде WGS-84 с центром в центре масс земли и референцная (используемая в России и некоторых окружающих странах) - Pulkovo-1942 (СК-42) базирующаяся на эллипсоиде Красовского, начало координат смещено относительно центра масс расстояние около 100 м (поэтому эта система и носит название референцной или относительной). Система WGS-84 широко применяется зарубежом, ее используют практически для всех данных производимых в мире. СК-42 широко используется в российской картографии, на ней основаются все топографические материалы ВТУ ГШ РФ (Военно-топографического управления Генерального штаба Российской Федерации).

Проекция

Проекция - набор математических формул, использующаяся для преобразования сферической поверхности в плоскость.

Виды проекций

По типу поверхности на которую осуществляется проектирование проекции разделяются на:

Конические (проектирование сфероида на коническую поверхность)

Цилиндрические (проектирование сфероида на цилиндрическую поверхность)

Азимутальные (проектирование сфероида на плоскость касательную сфероида)

По характеру искажений вносимых в содержание карты после проектирования карты проекции делятся на равноплощадные (отсутствуют искажения площадей), равноугольные (отсутствуют искажения углов и, следовательно формы объектов), равнопромежуточные (отсутствуют искажения длин - расстояния остаются неизменными в определенных направлениях). Существуют также проекции в которых искажения минимизированы сразу по двум или трем показателям (углы, длины, площади). Проекций в которых сохранялся бы масштаб длин во всех направлениях не существует.

Распространенные проекции

Достаточно широко распространены в России и мире группы проекций UTM (Universal Transverse Mercator) и ГК (Гаусса-Крюгера, больше распространена в России и странах Восточной Европы). Обе этих группы базируются на одной поперечной проекции Меркатора (Transverse Mercator), однако имеют различную номенклатуру (нумерацию зон) и параметры проекций для каждой зоны.

Переход между системами координат

Последнее время, с развитием спутниковой навигации, проблема перехода из универсальной общеземной системы координат используемой приборами GPS - WGS84 в другие системы координат, например СК-42 (Pulkovo 1942) встает особенно явно. Для перехода из одной системы координат в другую используется набор параметров определяющих отличие эллипсоида на котором базируется одна СК от другого. Это т.н. линейные элементы трансформирования определяющие сдвиг центра масс эллипсоида относительно общеземного и угловые элементы трансформирования определяющие соответственно поворот эллипсоида относительно общеземного. Обычная разница между одними и теми же координатами в разных системах составляет порядка 150 метров. Если вы видите, что одни ваши данные равномерно смещены относительно других слоев на эту величину, то скорее всего вы используете данные находящиеся в разных системах координат, например одновременно используются данные в WGS84 и Pulkovo 1942.

Файл описания проекции

Проекция данных записывается в специальный файл (имеющий расширение prj), в котором указывается система координат, проекция, единицы измерения и другие данные, важные для пространственной привязки данных. Без этого файла, определение проекции данных может быть затруднительно. Этот файл помогает ГИС определить пространственную привязку данных и перевести их в другую проекцию, если такая команда будет дана ГИС.

Подробнее о проекциях и системах координат:

Часто задаваемые вопросы по координатам, проекциям, системам координат >>>

Практическая часть

Последнее обновление: November 29 2008

Полярная система координат определяется заданием некоторой точки O , называемой полюсом, исходящего из этой точки луча OA (обозначается также и как Ox ), называемого полярной осью, и масштаба для изменения длин. Кроме того, при задании полярной системы координат должно быть определено, какие повороты вокруг точки O считаются положительными (на чертежах обычно положительными считаются повороты против часовой стрелки).

Итак, выберем на плоскости (рисунок выше) некоторую точку O (полюс) и некоторый выходящий из неё луч Ox . Кроме того, укажем единицу масштаба. Полярными координатами точки M называются два числа ρ и φ, первое из которых (полярный радиус ρ) равно расстоянию точки M от полюса O , а второе (полярный угол φ, который называют также амплитудой) - угол, на который нужно повернуть против часовой стрелки луч Ox до совмещения с лучом OM .

Точку M с полярными координатами ρ и φ обозначают символом M (ρ, φ) .

Связь полярных координат с декартововыми координатами

Установим связь между полярными координатами точки и её декартовыми координатами . Будем предполагать, что начало декартовой прямоугольной системы координат находится в полюсе, а положительная полуось абсцисс совпадает с полярной осью. Пусть точка M имеет декартовы координаты x и y и полярные координаты ρ и φ.Тогда

x = ρ cos φ)

y = ρ sin φ) .

Полярные координаты ρ и φ точки M определяются по её декартовым координатам следующим образом:

Для того, чтобы найти величину угла φ, нужно, используя знаки x и y , определить квадрант, в котором находится точка M , и, кроме того, воспользоваться тем, что тангенс угла φ равен .

Приведённые выше формулы называются формулами перехода от декартовых координат к полярным.

Задачи о точках в полярной системе координат

Пример 1.

A (3; π /4) ;

B (2; -π /2) ;

C (3; -π /3) .

Найти полярные координаты точек, симметричных этим точкам относительно полярной оси.

Решение. При симметрии длина луча не меняется. Следовательно, первая координата - длина луча - у симметричной относительно полярной оси точки будет как и у данной точки. Как видно из рисунка в начале урока, при построении симметричной относительно полярной оси точки данную точку нужно повернуть вокруг полярной оси на тот же угол φ. Следовательно, в полярной системе координат второй координатой симметричной точки будет угол для исходной точки, взятый с противоположным знаком, то есть -φ. Итак, полярные координаты точки, симметричной данной относительно полярной оси будут отличаться лишь второй координатой, и эта координата будет с противоположным знаком. Полярные координаты искомых симметричных точек будут следующими:

A" (3; -π /4) ;

B" (2; π /2) ;

C" (3; π /3) .

Пример 2. В полярной системе координат на плоскости даны точки

A (1; π /4) ;

B (5; π /2) ;

C (2; -π /3) .

Найти полярные координаты точек, симметричных этим точкам относительно полюса.

Решение. При симметрии длина луча не меняется. Следовательно, первая координата - длина луча - у симметричной относительно полюса точки будет как и у данной точки. Симметричная относительно полюса точка получается вращением исходной точки на 180 градусов против часовой стрелки, то есть на угол π . Следовательно, вторая координата точки, симметричной данной относительно полюса рассчитывается как φ + π (если в результате получится числитель больше знаменателя, то вычтем из полученного числа один полный оборот, то есть 2π ). Получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно полюса:

A" (1; 3π /4) ;

B" (5; -π /2) ;

C" (2; 2π /3) .

Пример 3. Полюс полярной системы координат совпадает с началом декартовых прямоугольных координат, а полярная ось совпадает с положительной полуосью абсцисс. В полярной системе координат даны точки

A (6; π /2) ;

B (5; 0) ;

C (2; π /4) .

Найти декартовы координаты этих точек.

Решение. Используем формулы перехода от полярных координат к декартовым:

x = ρ cos φ)

y = ρ sin φ) .

Получаем следующие декартовы координаты данных точек:

A (0; 6) ;

B (5; 0) ;

C" (√2; √2) .

Пример 4. Полюс полярной системы координат совпадает с началом декартовых прямоугольных координат, а полярная ось совпадает с положительной полуосью абсцисс. В декартовой прямоугольной системе координат даны точки

A (0; 5) ;

B (-3; 0) ;

C (√3; 1) .

Найти полярные координаты этих точек.

Система координат - способ задания точек пространства с помощью чисел . Количество чисел, необходимых для однозначного определения любой точки пространства, определяет его размерность. Обязательным элементом системы координат является начало координат - точка, от которой ведется отсчет расстояний. Другим обязательным элементом является единица длины, которая позволяет отсчитывать расстояния. Все точки одномерного пространства можно задать при выбранном начала координат одним числом. Для двумерного пространства необходимы два числа, для трехмерного - три. Эти числа называются координатами.

1. История

Развитие систем координат в истории человечества связан как с математическими задачами, так и с практическими проблемами искусства навигации , опиравшейся на картографию и астрономию . Известную систему координат, прямоугольную, предложил Рене Декарт в году. Понятие о полярную систему координат в европейской математике сложилось примерно в эти времена, но первые увляння о ней существовали еще в Древней Греции , в в средневековых арабских математиков, которые разрабатывали методы расчета направлении Каабу .

Становление понятия систем координат привело к развитию новых разделов геометрии: аналитической , проективной , начертательной .

2. Декартова система координат

Наиболее распространенной системой координат в математике есть декартова система координат , названная так в честь Рене Декарта . Декартова система координат задается началом координат и тремя векторами , которые определяют направление координатных осей . Каждая точка пространства задается числами, доринюють расстоянии от данной точки до координатных плоскостей.

Координаты декартовой системы на полощини принято обозначать , В пространстве .

Различные декартовы системы координат связаны между собой аффинные преобразования : смещением и поворотами.

3. Криволинейные системы координат

Исходя из декартовой системы координат, можно определить криволину систему координат, то есть, например, для трехмерного пространства числа , Связанных с декартовыми координатами спивидношеннямы:

где все функции однозначны и непрерывно дифференцированные, причем якобиан :

Примером криволинейной системы координат на плоскости является полярная система координат , в которой положение точки задается двумя числами: расстоянием между точкой и началом координат, и углом между лучом, который соединяет начало координат с точкой и выбранной осью. Декартовы и полярные координаты точки связаны между собой формулами:

Для трехмерного пространства популярные цилиндрическая и сферическая системы координат . Так, положение самолета в пространстве можно задать тремя числами: высотой, расстоянием до точки на поверхности Земли, над которой он пролетает, и углом между направлением на самолет и направлением на север. Такое задание соответствует цилиндрической системе координат, Альтернативно, положения самолета можно задать расстоянием до него и двумя углами: полярным и азимутальные. Такое задание соответствует сферической системе координат.

Разнообразие систем координат не исчерпывается приведенными. Существует очень много криволинейных систем координат, удобных для использования при решении той или иной математической задачи.

3.1. Свойства

Каждое из уравнений , Задает координатную плоскость. Пересечение двух координатных плоскостей с различными i задает координатную линию. Каждая точка пространства определяется пересечением трех координатных плоскостей.

Важными характеристиками криволинейных систем координат является длина элемента дуги и элемента объема в них. Эти величины используются при интегрировании. Длина элемента дуги задается квадратичной формой:

Являются компонентами метрического тензора .

Элемент объема равен в криволинейной системе координат

Квадрат якобиана равен детерминанту от метрического тензора:

Система координат называется правой, если касаются координатных линий, направлены в сторону роста соответствующих координат, образуют правую тройку векторов .

При описании векторов в криволинейной системе координат удобно пользоваться локальным базизом, определенным в каждой точке.

4. В географии

6. В физике

Описуюючы движение физических тел , физика использует понятие

Прежде чем приступить к обсуждению механизмов преобразования изображения, дадим определение условий фиксации положения, дающих возможность показать соотношения между объектами (элементами) до и после выполнения преобразований.

Система правил, соотношений и изобразительных (графических) средств, позволяющая задать (определить) положение объекта внимания на плоскости или в пространстве, определяется как система отсчета, система координат (КС), по которой каждой точке пространства ставится в соответствие набор чисел (координат ). Число координат, которые требуются для описания положения точки, определяет размерность пространства и соответственно наличие двухмерной и трехмерной графики. Двухмерная графика использует два понятия – высота и ширина и не вызывает особых затруднений при работе с изображением. В понятии трехмерная графика заложено указание на то, что придется работать с тремя пространственными измерениями – высотой, шириной и глубиной. Не вдаваясь в тонкости понятия “трехмерная графика”, отметим, что при работе с графическими средствами компьютерной графики необходимо помнить - созданные изображения реальных объектов существуют только в памяти компьютера. Они не имеют физической формы, поскольку это не что иное, как совокупность математических уравнений и движение электронов в микросхемах. А так как эти объекты не могут существовать вне компьютера, то единственным способом их увидеть в реальном свете, является добавление новых уравнений, описывающих условия освещения и точки зрения.

Основным отличием двухмерной графики от трехмерной является полное отсутствие у двухмерных объектов (изображений) третьей координаты – глубины, величины, характеризующей пространственные свойства объекта. Рисунки на плоскости характеризуются только шириной и высотой. И если ваше изображение таково, что создает иллюзию наличия третьей компоненты, то любая попытка взглянуть на объект с иного ракурса всегда будет связана с необходимостью перерисовывания объекта заново.

Если при моделировании трехмерные объекты приобретают координату глубины, то однажды нарисовав такие объекты, потом имеется возможность рассматривать их под любым углом зрения, не перерисовывая.

Положение каждой точки в пространстве определяется тройкой чисел – координатами (шириной, высотой и глубиной). Таким образом, через каждую точку можно провести три координатные оси виртуального пространства. Координатная ось – это воображаемая линия пространства, определяющая направление изменения координаты. Точка пересечения трех осей, имеющая координаты (0,0,0) – это точка начала координат.

В машинной графике в зависимости от характера решаемых задач, от структуры представления изображений и от процесса обработки графических данных, используются различные координаты:

полярные, цилиндрические, сферические;

относительные;

пользователя;

физические;

нормализованные;

однородные.

Мировой координатой называют независимую от устройствадекартову координату, используемую в прикладной программе при задании графических входных и выходных данных. Будем говорить, что на плоскости задана декартова прямоугольная система координат, если определена пара взаимно перпендикулярных осей и при этом обусловлено какая из этих осей является осью ординат, какая - осью абсцисс, а также единичный (масштабный) отрезок по осям. На рис. 3.14 изображена декартова система координат и определенная на ней точкаM . Опустим из точкиM перпендикуляры на осиOX и OY . Точки пересечения этих перпендикуляров с осями координат обозначены соответственноL и K . Абсциссой точкиMназывается отрезок
осиOX, а ординатой – величина отрезка
осиY. Пару чиселx иy , гдеx =
,y =
называюткоординатами точки M в выбранной системе координат. Тот факт, что точкаMимеет координатыx иy записывается так:M (x , y ). При этом сначала пишется абсцисса, а затем ордината точкиM .

Таким образом, каждой точке M плоскости соответствует пара действительных чисел (x , y ) – координаты этой точки. Наоборот, каждой паре действительных чисел (x , y ) соответствует, и при том только одна, точкаM плоскости, для которой эти числа будут ее координатами.

Следовательно, введение на плоскости декартовой прямоугольной системы координат позволяет установить взаимно однозначное соответствие между множеством точек на плоскости и множеством пар 1 действительных чисел на плоскости. Это соответствие дает возможность сводить изучение множеств точек на плоскости к изучению множеств пар действительных чисел, то есть, применять к изучению вопросов геометрии алгебраические методы. Это же соответствие дает возможность давать геометрическую интерпретацию некоторым вопросам алгебры и других дисциплин.

Рассматривая прикладной аспект КС, необходимо отметить следующее. Поскольку координаты по своей природе являются безразмерными, позиционирование объектов выполняется в единицах, которые являются естественными для данного приложения и пользователя. Например, требуется показать график помесячного выхода продукции в течение года. Координаты в этой КС (x – месяц; y – выход продукции) называютсякоординатами пользователя , а поскольку они позволяют задавать объекты в двухмерном и трехмерном мире их также называютглобальными координатами.

Если в рассматриваемом векторном пространстве не предполагается возможным сравнение длин единичных векторов (орт), | e 1 |, | e 2 |, | e 3 |, то такое пространство называетсяаффинным . Аффинное векторное пространство позволяет изучать общие свойства фигур, изменяющиеся при произвольном преобразовании системы координат. Аффинная и декартова системы координат на плоскости устанавливают взаимно однозначное соответствие между точками и координатами.

Аффинная или декартова система координат называется правой, если совмещение положительной полуоси х с положительной полуосьюу осуществляется поворотом осиOx в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки на угол, меньший. В противном случае система координат называется левой.

Если отрезки равны (случай метрического векторного пространства), а угол между осями 90 0 КС называетсякосоугольной . То есть кроме декартовой КС существуют и другие системы координат, позволяющие определить положение точки на плоскости (пространстве) с помощью пар (троек) действительных чисел 2 . К таким КС относится, например,полярная система координат.

Полярная система координат. Определим на плоскости точку O и проходящую через нее ось OP . Точка O назовем полюсом, а полуось (луч), выходящую из точки O в положительном направлении 3 , - полярной осью . Задание полюса полярной оси OP и единичного (масштабного) отрезка OE определяет на плоскости полярную систему координат. Полярным радиусом  любой точки M называется длина отрезка
.Полярным углом  точки M называется угол наклона направленного отрезка
к полярной осиOP . Угол  определяется с учетом знака и с точностью до слагаемого вида 2 k  , гдe k – целое число.

Числа и , полярный радиус и полярный угол точкиM , называютсяполярными координатами. Точка с полярными координатами обозначается так:M ( ,  ) или ( ,  ) . 4

Таким образом, задание любой пары действительных чисел ( ,  ),0 позволяет построить на плоскости одну точкуM , для которой эти числа являются ее полярными координатами.

При создании изображений достаточно часто приходится пользоваться одновременно декартовыми прямоугольными и полярными координатами точек. Практический интерес представляют формулы, позволяющие по декартовым координатам рассчитывать полярные координаты и наоборот.

Пусть точка M произвольная точка плоскости, x иy – ее декартовы координаты, ,  - полярные. Так как

Формулы (1) выражают прямоугольные декартовы координаты точки M через полярные координаты.

то есть,
, следовательно

Формулы (2) позволяют определить полярные координаты точки M по ее декартовым координатам. Если точкаM не лежит на осиOY, то из формул (2) следует соотношение

Физической координатой считают координату, заданнуюв системе координат, которая зависит от устройства.

Нормализованной координатой называют координату, заданную в промежуточной, независимой от устройств, системе координат и нормированную относительно некоторого диапазона, обычно от 0 до 1. При этом изображение, выраженное в нормализованных координатах, располагается в одной и той же относительной позиции при визуализации на любое устройство. Нормализованные координаты используются в случае, если область трехмерного пространства, ограниченная кубом, со сторонойh отображается в ту же область, ограниченную кубом со сторонойb", при этом используется нормирующий множитель, делением на который получают нормализованные координаты. Координаты мировой системы иногда приводятся к нормализованному виду.

Приборная система координат всегда нормирована. Координаты обычно задаются в десятичных долях в диапазоне от О до 1 илив целых единицах, например, растра экрана дисплея (размер 1024 X10*4 единиц растра).

Однородная система координат широко применяеся в машинной графике и позволяет n-мерный объект представить в (n +1) - мерном пространстве, путем добавления еще одной координаты - скалярного множителя. Однородные координаты являются основными в проективной геометрии, в машинной графике они удобный искусственный прием, позволяющий линеанизировать перспективные изображения. Однородные координаты дают возможность записывать несобственные (бесконечно удаленные) точки пространства, а также выражать аффинные преобразования в удобной матричной форме, избегая переполнения разрядной сетки ЭВМ за счет нормализации чисел.

Определяются однородные координаты следующим образом. Пусть на плоскости заданы система аффинных координат и произвольная точка Р с координатами(х, у). Введем в рассмотрение систему координат, в которой для описания вектора положения точки вводится третья компонента. Назовем однородной системой координат любую тройку одновременно не равных нулю чисел а 1 , а 2 , а 3 , связанных соотношением

При решении задач компьютерной графики однородные координаты обычно вводятся так: произвольной точке M (x , y ) на плоскости ставится в соответствие точка M ’(x , y ) в пространстве. Заметим, что произвольная точка на прямой, соединяющей начало координат 0(0, 0, 0) с точкой М(x, y, 1), может быть задана тройкой чисел hx , hy , h (hx , hy , h ) при h  0. Вектор, определяемый тройкой чисел hx , hy , h , является направляющим вектором прямой, соединяющим точки 0 иM’. Эта прямая пересекает плоскостьZ = h в точке (x , y , h ), которая однозначно определяет точкуx , y координатной плоскостиXOY . То есть, между точкойx , y и множеством точек (hx , hy , h ) h  0 устанавливается взаимно однозначное соответствие, что и позволяет считатьhx , hy , h ее координатами.

Однородное координатное воспроизведение неоднозначно, но равенство дополнительной координаты единице упрощает прямое и обратное преобразования и одновременно обеспечивает однозначность преобразований. Таким образом, описание точки на плоскости представляется вектором вида (x i , y i , 1 ) и однородные координаты можно представить как координаты двухмерной плоскости, рассматриваемой в трехмерном пространстве на уровне Z = 1. При помощи троек однородных координат можно описать любое аффинное преобразование на плоскости, то есть

Элементы произвольной матрицы аффинного преобразования не несут явно выраженного геометрического смысла. Поэтому, чтобы найти то или иное отображение, используется соответствующее геометрическое описание, необходимые приемы, заключающиеся в последовательном использовании матриц поворота, масштабирования, отражения и переноса поэтапно, так как эти преобразования обладают хорошо выраженными геометрическими свойствами.

Топографическое изучение земной поверхности заключается в определении положения ситуации и рельефа относительно математической поверхности Земли, т.е. в определении пространственных координат характерных точек, необходимых и достаточных для моделирования местности. Модель местности может быть представлена в виде геодезических чертежей, изготовление которых называют картографированием, и аналитически – в виде совокупности координат характерных точек. Для построения моделей местности в геодезии применяют метод проекций и различные системы координат.

Метод горизонтальной проекции заключается в том, что изучаемые точки (A, B, C, D, E ) местности с помощью вертикальных (отвесных) линии проектируются на уровенную поверхностьУ (рис. 5), в результате чего получают горизонтальные проекции этих точек (a, b, c, d, e ). ОтрезкиАa, Bb, Cc, Dd, Ee называются высотами точек, а численные их значения – отметками.

Высота точки является одной из её пространственных координат. Отметка называется абсолютной, если в качестве уровенной поверхности принимается геоид, и относительной или условной, если для этого принимается произвольная уровенная поверхность.

Рис. 5. Проектирование точек местности на уровенную поверхность Земли

Две другие недостающие координаты точки определяются с помощью системы координат, построенной на математической поверхности Земли (рис. 6).

Через любую точку поверхности референц-эллипсоида можно провести две взаимно перпендикулярные плоскости:

плоскость геодезического меридиана – плоскость, проходящая через ось вращения ЗемлиPP" ;

плоскость геодезической широты , которая перпендикулярна плоскости геодезического меридиана.

Следы сечения поверхности референц-эллипсоида этими плоскостями называют меридианом (М ) и параллелью .

Меридиан , проходящий через астрономическую обсерваторию в Гринвиче, называетсяначальным илинулевым (М 0 ).

Параллель , плоскость которой проходит через центр ЗемлиO , называетсяэкватором (Э ).

Плоскость , проходящая через центр ЗемлиO перпендикулярно к её оси вращенияPP" , называетсяэкваториальной .

Основой для всех систем координат являются плоскости меридиана и экватора.

Рис. 6. Система географических координат Рис. 7. Система геодезических координат

Системы координат подразделяются на угловые, линейные и линейно – угловые.

Примером угловых координат являются географические координаты (рис.6): широта  и долгота . Вдоль соответствующих параллели и меридиана широта и долгота точек постоянны.

В геодезии применяются следующие системы координат:

геодезические;

астрономические;

географические;

плоские прямоугольные геодезические (зональные);

полярные;

Геодезические координаты

Геодезические координаты определяют положение точки земной поверхности на референц-эллипсоиде (рис.7).

Геодезическая широта B – угол, образованный нормалью к поверхности эллипсоида в данной точке и плоскостью его экватора. Широта отсчитывается от экватора к северу или югу от 0° до 90° и соответственно называется северной или южной широтой.

Геодезическая долгота L – двугранный угол между плоскостями геодезического меридиана данной точки и начального геодезического Гринвичского меридиана.

Долготы точек, расположенных к востоку от начального меридиана, называются восточными, а к западу – западными.

Астрономические координаты (для геодезии)

Астрономическая широта  и долгота определяют положение точки земной поверхности относительно экваториальной плоскости и плоскости начального астрономического меридиана (рис.8).

Рис. 8. Система астрономических координат Рис. 9. Система географических координат

Астрономическая широта 

Астрономическая долгота  – двугранный угол между плоскостями астрономического меридиана данной точки и начального астрономического меридиана.

Плоскостью астрономического меридиана является плоскость, проходящая через отвесную линию в данной точке и параллельная оси вращения Земли.

Астрономическая широта  и долгота определяются астрономическими наблюдениями.

Геодезические и астрономические координаты отличаются (имеют расхождение) из-за отклонения отвесной линии от нормали к поверхности эллипсоида. При составлении географических карт этим отклонением пренебрегают.

Географические координаты

Географические координаты – величины, обобщающие две системы координат: геодезическую и астрономическую, используют в тех случаях, когда отклонение отвесных линий от нормали к поверхности не учитывается (рис.9).

Географическая широта  – угол, образованный отвесной линией в данной точке и экваториальной плоскостью.

Географическая долгота  – двугранный угол между плоскостями меридиана данной точки с плоскостью начального меридиана.

Плоские прямоугольные геодезические координаты (зональные).

При решении инженерно-геодезических задач в основном применяют плоскую прямоугольную геодезическую и полярную системы координат.

Для определения положения точек в плоской прямоугольной геодезической системе координат используют горизонтальную координатную плоскость ХОУ (рис. 10), образованную двумя взаимно перпендикулярными прямыми. Одну из них принимают за ось абсциссX , другую – за ось ординатY , точку пересечения осейО – за начало координат.

Рис. 10. Плоская прямоугольная система координат

И
зучаемые точки проектируют с математической поверхности Земли на координатную плоскостьХОУ . Так как сферическая поверхность не может быть спроектирована на плоскость без искажений (без разрывов и складок), то при построении плоской проекции математической поверхности Земли принимается неизбежность данных искажений, но при этом их величины должным образом ограничивают. Для этого применяется равноугольная картографическая проекция Гаусса – Крюгера (проекция названа по имени немецких ученых, предложивших данную проекцию и разработавших формулы для её применения в геодезии), в которой математическая поверхность Земли проектируется на плоскость по участкам – зонам, на которые вся земная поверхность делится меридианами через 6° или 3°, начиная с начального меридиана (рис. 11).

Рис. 11. Деление математической поверхности Земли на шестиградусные зоны

В пределах каждой зоны строится своя прямоугольная система координат. С этой целью все точки данной зоны проецируются на поверхность цилиндра (рис. 12, а), ось которого находится в плоскости экватора Земли, а его поверхность касается поверхности Земли вдоль среднего меридиана зоны, называемого осевым. При этом соблюдается условие сохранения подобия фигур на земле и в проекции при малых размерах этих фигур.

Рис. 12. Равноугольная картографическая проекция Гаусса – Крюгера (а) и зональная система координат (б):

1 – зона, 2 – координатная сетка, 3 – осевой меридиан, 4 – проекция экватора на поверхность цилиндра, 5 – экватор,

6 – ось абсцисс – проекция осевого меридиана, 7 – ось ординат – проекция экватора

После проектирования точек зоны на цилиндр, он развертывается на плоскость, на которой изображение проекции осевого меридиана и соответствующего участка экватора будет представлена в виде двух взаимно перпендикулярных прямых (рис. 12, б). Точка пересечения их принимается за начало зональной плоской прямоугольной системы координат, изображение северного направления осевого меридиана – за положительную ось абсцисс, а изображение восточного направления экватора – за положительное направление оси ординат.

Для всех точек на территории нашей страны абсциссы имеют положительное значение. Чтобы ординаты точек также были только положительными, в каждой зоне ординату начала координат принимают равной 500 км (рис. 12, б). Таким образом, точки, расположенные к западу от осевого меридиана, имеют ординаты меньше 500 км, а к востоку – больше 500 км. Эти ординаты называют преобразованными.

На границах зон в пределах широт от 30° до 70° относительные ошибки, происходящие от искажения длин линий в этой проекции, колеблются от 1: 1000 до 1: 6000. Когда такие ошибки недопустимы, прибегают к трехградусным зонам.

На картах, составленных в равноугольной картографической проекции Гаусса – Крюгера, искажения длин в различных точках проекции различны, но по разным направлениям, выходящим из одной и той же точки, эти искажения будут одинаковы. Круг весьма малого радиуса, взятый на уровенной поверхности, изобразится в этой проекции тоже кругом. Поэтому говорят, что рассматриваемая проекция конформна, т. е. сохраняет подобие фигур на сфере и в проекции при весьма малых размерах этих фигур. Таким образом, изображения контуров земной поверхности в этой проекции весьма близки к тем, которые получаются.

Четверти прямоугольной системы координат нумеруются. Их счет идет по ходу стрелки от положительного направления оси абсцисс (рис.13).

Рис. 13. Четверти прямоугольной системы координат

Если за начало плоской прямоугольной системы координат принять произвольную точку, то она будет называться относительной или условной.

Полярные координаты

При выполнении съемочных и разбивочных геодезических работ часто применяют полярную систему координат (рис.14). Она состоит из полюса О и полярной осиОР , в качестве которых принимается прямая с известным началом и направлением.

Рис. 14. Полярная система координат

Для определения положения точек в данной системе используют линейно-угловые координаты: угол β , отсчитываемый по часовой стрелке от полярной осиОР до направления на горизонтальную проекцию точкиА" , и полярное расстояниеr от полюса системыО до проекцииА" .

Системы высот

Высота точки является третьей координатой, определяющей её положение в пространстве.

В геодезии для определения отметок точек применяются следующие системы высот (рис.15):

ортометрическая (абсолютная);

геодезическая;

нормальная (обобщенная);

относительная (условная).

Рис. 15. Системы высот в геодезии

Ортометрическая (абсолютная) высота H о – расстояние, отсчитываемое по направлению отвесной линии от поверхности геоида до данной точки.

Геодезическая высота H г – расстояние, отсчитываемое по направлению нормали от поверхности референц-эллипсоида до данной точки.

В нормальной системе высот отметка точкиH н отсчитывается по направлению отвесной линии от поверхностиквазигеоида , близкой к поверхности геоида.

Квазигеоид («якобы геоид») – фигура, предложенная в 1950-х г.г. советским учёным М.С. Молоденским в качестве строгого решения задачи определения фигуры Земли. Квазигеоид определяется по измеренным значениям потенциалов силы тяжести согласно положениям теории М.С. Молоденского.

В нашей стране все высоты реперов государственной нивелирной сети определены в нормальной системе высот. Это связано с тем, что положение геоида под материками определить сложно. Поэтому с конца 40-х годов в СССР было принято решение не применять ортометрическую систему высот.

В России абсолютные высоты точек определяются в Балтийской системе высот (БСВ) относительнонуля Кронштадтского футштока – горизонтальной черты на медной пластине, прикрепленной к устою моста через обводной канал в г. Кронштадте.

Относительная высота H у – измеряется от любой другой поверхности, а не от основной уровенной поверхности.

Местная система высот – Тихоокеанская, её уровенная поверхность ниже нуля Кронштадтского футштока на 1873 мм.