Системи координат в геодезії

Координатними площинами, відносно яких визначають положення точок на земній поверхні, є площина екватора земного еліпсоїда та площина початкового меридіана.

Координати — це величини, що визначають положення будь-якої точки на поверхні або в просторі відносно прийнятої системи координат.

Система координат встановлює початкові (вихідні) точки поверхні або лінії відліку потрібних величин — початок відліку координат та одиниці їх обчислення.

У геодезії найбільшого застосування набули системи географічних, плоских прямокутних та полярних координат.

Система географічних координат (географічні координати) застосовується для визначення положення точок Землі відносно екватора і початкового меридіана. Координатами є кутові величини: довгота і широта точки. Координатна (картографічна) сітка створюється лініями меридіанів і паралелей.

Меридіаном називають лінію перерізу еліпсоїда площиною, що проходить через дану точку і полярну вісь обертання Землі РР' (рис. 2.5).

геодезія координата географічний.

Паралель — це лінія перерізу еліпсоїда площиною, що проходить через дану точку і перпендикулярна до земної осі, РР'. Паралель, що проходить через центр еліпсоїда, називають екватором. За початковий (нульовий) прийнято Гринвіцький меридіан, тобто меридіан, який проходить через центр головного залу Гринвіцької обсерваторії на околиці Лондона.

Географічні координати визначають в результаті астрономічних спостережень відносно земної поверхні або шляхом геодезичних вимірювань поверхні референц-еліпсоїда. У першому випадку їх називають астрономічними, у другому — геодезичними. При астрономічних спостереженнях проектування точок на відповідну поверхню здійснюється прямовисними лініями, при геодезичних — нормалями, тому значення астрономічних і геодезичних координат дещо відрізняються.

Астрономічні координати обчислюють відносно площини, перпендикулярної до осі обертання Землі (площини екватора) і площини початкового астрономічного меридіана. Площиною астрономічного меридіана є площина, що проходить через прямовисну лінію в даній точці і паралельна осі обертання Землі. Початковою точкою відліку координат є точка перетину початкового меридіана і екватора, для якої широта і довгота дорівнюють 0°.

Астрономічна широта () — це кут, утворений прямовисною лінією в даній точці і площиною, перпендикулярною до осі обертання Землі.

Астрономічна довгота () -це двогранний кут між площинами астрономічного меридіана даної точки та початкового астрономічного меридіана (див. рис 2.5).

Рис. 2 Система плоских координат

Рис. 3 Система полярних прямокутних координат

Геодезичні координати — це координати, які показують положення точок відносно площини початкового геодезичного меридіана і площини екватора земного еліпсоїда. Площиною геодезичного меридіана є площина, що проходить через нормаль до поверхні земного еліпсоїда в даній точці і паралельна до його малої осі.

Геодезична широта (В) — це кут, утворений нормаллю до поверхні земного еліпсоїда в даній точці і площиною його екватора.

Геодезична довгота (L) — двогранний кут між площинами геодезичного меридіана даної точки і початкового геодезичного меридіана.

За початок відліку координат у геодезичній системі (на референц-еліпсоїді) беруть певну точку з відомими геодезичними координатами або вихідними даними. Відносно неї визначають всі інші координати пунктів геодезичної сітки.

Широта є північна і південна, змінюється вона від 0° (на екваторі), до 90° (на земних полюсах). Довгота є східна та західна і змінюється від 0° (на початковому, Гринвіцькому меридіані) до 180° на схід і на захід від нульового меридіана. Довгота і широта можуть бути також визначені, відповідно довжиною дуги меридіана і паралелі на поверхні еліпсоїда.

Плоскими прямокутними геодезичними координатами (прямокутними координатами) називають лінійні величини — абсцису і ординату, що визначають положення точки на площині відносно вихідних напрямків. Вихідними напрямками служать дві взаємно перпендикулярні лінії (рис. 2.6) з початком відліку в точці їх перетину О. Пряма XX є віссю абсцис, а пряма YY — віссю ординат. У цій системі положення будь-якої точки на площині визначається найкоротшою відстанню до неї від осей координат. Так, положення точки, А визначається довжиною перпендикулярів та. Відрізок називають абсцисою, а , — ординатою точки А. Відображаються абсциси і ординати в лінійних величинах (найчастіше в метрах).

У геодезії прийнято праву систему прямокутних координат: це відрізняє її від лівої системи координат, яка використовується в математиці. Чверті системи координат, назви яких відповідають назвам сторін світу, нумеруються за годинниковою стрілкою (див. рис. 2.6).У такій системі спрощується вимірювання кутів орієнтування. Абсциси точок, розташованих вверх від початку координат, вважають додатними, а вниз — від'ємними; ординати точок, розташованих праворуч від початку координат, вважають додатними, а ліворуч — від'ємними (табл. 1).

Систему плоских прямокутних застосовують для визначення координат точок на порівняно невеликих ділянках земної поверхні, що приймаються за площину.

Таблиця 1.

У державній системі координат за вісь ординат приймають лінію екватора, за вісь абсцис — напрямок меридіана, який називають осьовим (він збігається з напрямком однієї з осей системи прямокутних координат). При виконанні робіт на значних за розмірами територіях осьовими вибирають кілька меридіанів. Для невеликих ділянок початок відліку координат може бути в будь-якій точці ділянки (це так звана система з умовним початком координат).

Координати, початком відліку яких є певна точка на місцевості, називають топоцентричними. Якщо на горизонтальній площині через довільно вибрану точку О провести пряму ОХ (так звана полярна вісь), то положення будь-якої точки, наприклад М, визначатиметься радіусомвектором та кутом напрямку, а точка N — відповідно і (рис. 2.7). Такі координати називають полярними. Кути і вимірюють від полярної осі за ходом годинникової стрілки до радіуса-вектора. Полярна вісь на площині може розташовуватись довільно або збігатися з напрямком меридіана, що проходить через полюс (точка О).

Система плоских прямокутних координат Гаусса-Крюгера. Дану систему координат використовують при великомасштабному зображенні значних частин земної поверхні на площині, отже, і при вирішенні більшості завдань, що зв’язані з проектуванням будівельних комплексів.

Для великомасштабного картографування необхідна проекція, що забезпечує збереження подібного зображення фігур (контурів) при переході з поверхні кулі на площину, спотворення розмірів фігур, що виникають при цьому, мають бути малі і легко враховуватися. Даним вимогам відповідає прийнята з 1928 р. поперечно-циліндрична рівнокутна проекція Гаусса-Крюгера.

Рис. 4 Схема побудови поперечної циліндричної проекції

Зображення поверхні земної кулі на площині в проекції Гаусса-Крюгера отримують наступним чином. Поверхню розбивають меридіанами на зони шириною 3 або 6° за довготою. Земну кулю вписують в циліндр так, щоб площина екватора співпала з віссю циліндра (рис. 2.8). Кожна зона з центру Землі проектується на бічну поверхню циліндра. Після проектування бічну поверхню циліндра розгортають в площину, розрізавши її по меридіанах, що проходять через земні полюси. На отриманому зображенні середні (осьові) меридіани зон (рис. 2.9) і екватор — прямі лінії, всі інші меридіани і паралелі - криві. Спотворення розмірів контурів поблизу середніх (осьових) меридіанів зон мінімальні і зростають у міру віддалення до країв. Лінія на поверхні кулі завдовжки S при зображенні її на площині отримає спотворення.

.

де — середнє значення ординат початкової і кінцевої точок лінії; - радіус Землі.

Відносні спотворення на краях шестиградусної зони можуть досягати величини порядку 1/1500, а трьохградусної - порядку 1/6000. Вибір ширини зони (6 або 3°) залежить від того, з якою точністю повинно вестися проектування будівельного комплексу. Якщо для проектування потрібні топографічні матеріали масштабу 1:10 000 і дрібніше, застосовують шестиградусні зони, для карт масштабу 1:5000 крупніших масштабів — трьохградусні. Весь земний еліпсоїд охоплюють 60 шестиградусних зон. Вони нумеруються арабськими цифрами, починаючи від Грінвицького меридіану на схід.

За початок відліку координат в кожній зоні приймають точку перетину осьового меридіана — осі абсцис Х і екватора — осі ординат Y. На картах проводять прямокутну координатну сітку, що складається з прямих ліній, паралельних осьовому меридіану і екватору (рис. 2.9). Відстані між суміжними лініями сітки для масштабів карт 1:10 000; 1:25 000 і 1:50 000 складають один кілометр на місцевості.

Рис. 5 Шестиградусні зони Гаусса-Крюгера

Система координат в кожній зоні однакова. Для території України, що розташована в північній півкулі, абсциси завжди позитивні. Що стосується ординат, то вони в кожній зоні могли б бути як позитивними так і негативними. Для того, щоб і ординати були завжди позитивні, початок координат домовились змістити на захід на 500 км. В цьому випадку всі точки на схід і захід від осьового меридіана матимуть позитивні ординати. Такі ординати називаються перетвореними. Перетворена ордината починається з номера зони. Наприклад, якщо точка розташована в четвертій зоні на відстані 64 245 м на захід від осьового меридіана, її перетворена ордината рівна 4 435 755 м, якщо на тій же відстані на схід від того ж осьового меридіана, то перетворена ордината y = 4 564 245 м.

Рис. 6 Координатна сітка

Усі сучасні топографічні карти України складені у проекції Гаусса-Крюгера. В інженерній практиці для невеликих ділянок місцевості план може бути складений в умовній системі прямокутних координат. Початок умовної системи координат вибирають так, щоб значення X та Y були додатними. Вісь абсцис орієнтують у напрямку магнітного меридіана.

Для зручності визначення прямокутних координат на планах і картах нанесена координатна сітка (рис. 10). Це система взаємно перпендикулярних ліній, проведена через певні відстані паралельно осям X та Y зони. Значення абсцис X та умовних ординат Y ліній координатної сітки підписані на картах і планах.

Система висот.

Для визначення положення точок фізичної поверхні Землі не досить знати лише дві координати на поверхні (наприклад, х і у). Потрібна третя координата — висота точки Н (рис. 2.11). Висотою Н точки земної поверхні називається відстань по прямовисній лінії (нормалі) між рівневою поверхнею точки і рівневою поверхнею, прийнятою за початкову. Числове значення висоти точки називають позначкою висоти, або позначкою. Висоту точки, яку обчислюють від основної рівневої поверхні, називають абсолютною (НА), а визначену відносно довільно обраної рівневої поверхні - умовною (). Різницю висоти між двома точками (або відстань за прямовисним напрямком між рівневими поверхнями, що проходять через дві будь-які точки на Землі) називають відносною висотою, або перевищенням (або) цих точок:

.

У нашій країні прийнято Балтійську систему висот. Відлік висот за цією системою ведуть від рівневої поверхні, що проходить через нуль футштока біля Санкт-Петербурга. Футшток — рейка, яку встановлюють на берегах океанів і морів для спостережень за рівнем води. Нуль Кронштадтського футштока є мідною пластиною, закріпленою в опорі моста у м. Кронштадті, з нанесеною горизонтальною рискою.

З історії.

• · З 1707 року в Кронштадті діє футштокова служба.
• · В 1840 році за пропозицією гідрографа М. Ф. Рейнеке на кам’яній опорі Синього мосту через кронштадтський Обвідний канал нанесена риска, що відповідала середньому рівню води Фінської затоки за спостереженнями 1825−1839 років.
• · З 1898 року працює автоматичний самописний прилад-мареограф, що фіксує зміни рівня води. Спочатку він розташовувався в дерев’яній будці, потім в спеціальному павільйоні з колодязем (фото 2.1).
• · В 1871—1904 роках астроном В. Е. Фус з астрономічної обсерваторії в Кронштадті здійснив нівелірний зв’язок нуля Кронштадтського футштока з марками на материку. В. Е. Фусу належить велика заслуга у вирішенні питання про основний нуль висот Росії.
• · В 1886 році астроном-геодезист Витрам на місці нульової мітки вправив в камінь мідну пластину з горизонтальною рисою, яка і представляє нуль Кронштадтського футштока.
• · В 1898 році в дерев’яній будці був встановлений мареограф — прилад, постійно реєструючий рівень води в колодязі відносно нуля футштока. Трохи пізніше мареограф перенесли в невеликий павільйон з глибоким колодязем. Самописець мареографа неупереджено фіксує коливання моря, відмічаючи і відливи, і повені.
• · В 1913 році завідувач інструментальною камерою Кронштадтського порту Х. Ф. Тонберг встановив нову пластину з горизонтальною рисою, яка і служить до теперішнього часу початковим пунктом нівелірної сітки Росії.

Від нуля Кронштадтського футштока на усій території України (територія країн СНД) проводять виміри глибин і висот. Географічні карти рівняються на Кронштадтську точку відліку. Навіть космічні орбіти ведуть відлік від невеликої риски мідної таблички, прикріпленої до опори Синього мосту через Обвідний канал в Кронштадті.

На сучасному етапі з використанням супутникових навігаційних систем (GPS) при розв’язанні геодезичних задач використовують геоцентричну систему прямокутних просторових координат (2.12).

Початок координат розміщено в центрі мас Землі. Вісь ОХ у площині екватора проходить через точку перетину Гринвіцького меридіана й екватора. Вісь ОY доповнює прийняту систему координат до правої, а вісь OZ спрямована вздовж осі обертання Землі до Північного полюса.

Для точки М маємо просторові координати:

;

В Україні для вирішення народногосподарських завдань міждержавного рівня запроваджено світову систему просторових координат WGS-84.