Кіріспе
Геодезиялық бедер немесе геодезиялық жүйе (сонымен қатар: геодезиялық бедерлік анықтама, геодезиялық анықтама жүйесі немесе геодезиялық бедерлік шеңбер) – Жер немесе басқа планеталық денелердегі орналасудың геодезиялық координаттар арқылы нақты бейнеленуі үшін жаһандық бедерлік анықтама немесе анықтама шеңбері. Бедерлер геодезия, навигация, зерттеу, географиялық ақпараттық жүйелер, қашықтан зондтау және картография сияқты кеңістіктік орналасуға негізделген кез келген технология немесе әдіс үшін маңызды. Көлденең бедер Жер бетіндегі орналасуды ендік және бойлық немесе басқа координаттар жүйесінде өлшеу үшін қолданылады; тік бедер стандартты бастапқы нүктеге қатысты биіктікті немесе тереңдікті өлшеу үшін қолданылады, мысалы, орташа теңіз деңгейі (MSL). Глобалдық позициялау жүйесінің (GPS) пайда болуынан бастап, оның қолданатын эллипсоиді және WGS 84 бедерін көптеген қолданымдарда басқаларының көпшілігі алмастырды. WGS 84 – көбінесе ертеректегі бедерлерден өзгеше, жаһандық қолдануға арналған. GPS-тен бұрын, Гринвич обсерваториясындағы бойлық үшін, экватордан ендік үшін немесе ең жақын жағалаудан теңіз деңгейі үшін универсалды анықтамалық нүктелерден алыс орналасқан жердің орнын өлшеудің нақты тәсілі болмаған. Астрономиялық және хронологиялық әдістердің дәлдігі мен нақтылығы шектеулі, әсіресе ұзақ қашықтықтарда. Тіпті GPS-ке де өлшемдерін негізге алу үшін алдын ала анықталған негіз қажет, сондықтан WGS 84 негізінен бедер ретінде жұмыс істейді, тіпті ол кейбір ерекшеліктерімен дәстүрлі стандартты көлденең немесе тік бедерден өзгеше болса да. Стандартты бедерлік сипаттама (көлденең немесе тік болсын) бірнеше бөліктен тұрады: Жердің пішіні мен өлшемдері үшін модель, мысалы, анықтамалық эллипсоид немесе геоид; эллипсоид/геоид белгілі бір жерге (көбінесе монументтелген) Жер бетіне немесе Жердің ішіне байланысты болатын бастапқы нүкте (0 ендікте 0 бойлықта емес); және бастапқы нүктеден нақты өлшенген және монументтелген бірнеше бақылау нүктелері. Содан кейін басқа жерлердің координаттары зерттеу арқылы ең жақын бақылау нүктесінен өлшенеді. Эллипсоид немесе геоид бедерлер арасында, олардың бастапқы нүктелері мен кеңістіктегі бағыттарымен бірге өзгеше болғандықтан, бір бедерге сілтеме жасалатын координаттар мен басқа бедерге сілтеме жасалатын координаттар арасындағы байланыс анықталмаған және тек шамамен ғана бағалануы мүмкін. Жергілікті бедерлерді қолдану арқылы екі түрлі бедерде бірдей көлденең координаттары бар нүкте арасындағы жер бетіндегі айырмашылық, егер нүкте бір немесе екі бедердің бастапқы нүктесінен алыс болса, километрге жете алады. Бұл құбылыс – бедерлік ығысу деп аталады. Жер кемелсіз эллипсоид болғандықтан, жергілікті бедерлер WGS 84-тен гөрі белгілі бір аймақтың нақтырақ бейнесін беруі мүмкін. Мысалы, OSGB36 – бұл Британ аралдарын қамтитын геоидқа, жаһандық WGS 84 эллипсоидінен гөрі жақсырақ жақындау. Алайда, жаһандық жүйенің артықшылықтары үлкен нақтылықтан басым болғандықтан, жаһандық WGS 84 бедері кеңінен қабылданып жүр.
A geodetic datum or geodetic system (also: geodetic reference datum, geodetic reference system, or geodetic reference frame) is a global datum reference or reference frame for precisely representing the position of locations on Earth or other planetary bodies by means of geodetic coordinates. Datums are crucial to any technology or technique based on spatial location, including geodesy, navigation, surveying, geographic information systems, remote sensing, and cartography. A horizontal datum is used to measure a location across the Earth's surface, in latitude and longitude or another coordinate system; a vertical datum is used to measure the elevation or depth relative to a standard origin, such as mean sea level (MSL). Since the rise of the global positioning system (GPS), the ellipsoid and datum WGS 84 it uses has supplanted most others in many applications. The WGS 84 is intended for global use, unlike most earlier datums. Before GPS, there was no precise way to measure the position of a location that was far from universal reference points, such as from the Prime Meridian at the Greenwich Observatory for longitude, from the Equator for latitude, or from the nearest coast for sea level. Astronomical and chronological methods have limited precision and accuracy, especially over long distances. Even GPS requires a predefined framework on which to base its measurements, so WGS 84 essentially functions as a datum, even though it is different in some particulars from a traditional standard horizontal or vertical datum. A standard datum specification (whether horizontal or vertical) consists of several parts: a model for Earth's shape and dimensions, such as a reference ellipsoid or a geoid; an origin at which the ellipsoid/geoid is tied to a known (often monumented) location on or inside Earth (not necessarily at 0 latitude 0 longitude); and multiple control points that have been precisely measured from the origin and monumented. Then the coordinates of other places are measured from the nearest control point through surveying. Because the ellipsoid or geoid differs between datums, along with their origins and orientation in space, the relationship between coordinates referred to one datum and coordinates referred to another datum is undefined and can only be approximated. Using local datums, the disparity on the ground between a point having the same horizontal coordinates in two different datums could reach kilometers if the point is far from the origin of one or both datums. This phenomenon is called datum shift. Because Earth is an imperfect ellipsoid, local datums can give a more accurate representation of some specific area of coverage than WGS 84 can. OSGB36, for example, is a better approximation to the geoid covering the British Isles than the global WGS 84 ellipsoid. However, as the benefits of a global system outweigh the greater accuracy, the global WGS 84 datum has become widely adopted.
Тарих
Жердің шар тәрізді болуы ежелгі гректерге мәлім болған, олар ендік және бойлық ұғымдарын, сондай-ақ оларды өлшеудің алғашқы астрономиялық әдістерін де жасады. Мұсылман және үнді астрономдары сақтап, одан әрі дамытқан осы әдістер 15- және 16-ғасырлардағы жаһандық саяхаттар үшін жеткілікті болды. Дегенмен, Ағарту дәуірінің ғылыми табыстары осы өлшемдердегі қателерді мойындауға және үлкен дәлдікке ұмтылуға алып келді. Бұл Джон Харрисонның 1735 жылғы теңіз хронометрі сияқты технологиялық инновацияларға, сонымен қатар Жердің пішіні туралы негізгі болжамдарды қайта қарастыруға себеп болды. Исаак Ньютон импульстің сақталу заңына сәйкес Жердің экваторда кеңейген (жалпақ) болуы керек деп болжады, ал Жак Кассинидің (1720) алғашқы зерттеулері оны Жердің полюстерде кеңейген (сопақ) екеніне сендірді. Лапландия мен Перуге жасалған француз геодезиялық миссиялары (1735–1739) Ньютонның болжамын растады, сонымен қатар ауырлық күшінің өзгеруін анықтады, бұл кейіннен геоид моделіне әкелді. Сол кездегі жаңалық – үлкен қашықтықтарда қашықтық пен орналасуды дәл өлшеу үшін тригонометриялық зерттеулерді қолдану болды. Жак Кассинидің (1718) зерттеулерімен және ағылшын-француз зерттеуімен (1784–1790) бастап, 18-ғасырдың соңына қарай зерттеу бақылау желілері Франция мен Ұлыбританияны қамтыды. Шығыс Еуропадағы Стрюв геодезиялық доғасы (1816–1855) және Үндістанның Ұлы тригонометриялық зерттеуі (1802–1871) сияқты ауқымды жобалар көбірек уақыт алды, бірақ Жер эллипсоидінің пішінін дәлірек анықтауға мүмкіндік берді. АҚШ-тағы алғашқы триангуляция 1899 жылға дейін аяқталмады. АҚШ-тың зерттеулері нәтижесінде 1927 жылғы Солтүстік Америкалық деңгейі (NAD27) және 1929 жылғы вертикальдық деңгейі (NAVD29) пайда болды, бұл қоғамға қолжетімді алғашқы стандартты деңгейлер болды. Осыдан кейін келесі онжылдықтарда ұлттық және аймақтық деңгейлер жарияланды. Өлшемдерді жақсарту, соның ішінде алғашқы спутниктерді пайдалану, 20-ғасырдың соңында, мысалы, Солтүстік Америкада NAD83, Еуропада ETRS89 және Австралияда GDA94 сияқты дәлірек деңгейлерді қамтамасыз етті. Осы кезде спутниктік навигациялық жүйелерде қолдану үшін жаһандық деңгейлер де жасалды, әсіресе АҚШ-тың жаһандық позициялау жүйесінде (GPS) қолданылатын Дүниежүзілік геодезиялық жүйе (WGS 84) және Еуропаның Галилео жүйесінде қолданылатын Халықаралық жер беті анықтама жүйесі мен шеңбері (ITRF).
Көлденең беткей
Көлденең бедер – Жер бетіндегі орналасуды өлшеуге қолданылатын модель. Нақты бір нүктенің координаталары, өлшеуді жүргізу үшін қолданылған бедерге байланысты айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Әлем бойынша жүздеген жергілікті көлденең бедерлер бар, олар көбінесе ыңғайлы жергілікті анықтама нүктесіне сүйенеді. Жердің пішінін күдіретті түрде дәл өлшеулерге негізделген заманауи бедерлер, кеңірек аумақтарды қамтуға бағытталған. Солтүстік Америкада қолданылатын NAD83 және Еуропада қолданылатын ETRS89 бедерлеріне шамалы ұқсас WGS 84 бедері – бұл жиі қолданылатын стандартты бедер.
Тік деректі
Тік бедер – жер бедері, батиметрия, су деңгейі және адам жасаған құрылымдар сияқты тік орналасулар үшін анықтамалық бет. Теңіз деңгейінің шамамен анықтамасы – WGS 84 эллипсоиді, ал одан да дәл анықтамасы – 2159-нан кем емес сфералық гармониканы қолданатын Жердің гравитациялық моделі 2008 (EGM2008). Басқа бедерлер басқа аймақтарда немесе басқа уақыттарда анықталады; ED50 1950 жылы Еуропа бойынша анықталды және Еуропаның қай жерінде болса да WGS 84-тен бірнеше жүз метрге дейін өзгеше болуы мүмкін. Марста мұхиттар болмағандықтан теңіз деңгейі де жоқ, бірақ ондағы жерлерді анықтау үшін кем дегенде екі марсиандық бедер қолданылған.
Геодезиялық координаттар
Геодезиялық координаттарда Жер беті эллипсоид ретінде жуықталады, ал жер бетіне жақын орналасқан нүктелер геодезиялық ендік, бойлық және эллипсоидтық биіктік арқылы сипатталады.
Геодезиялық анықтама жүйесі 1980 (GRS80)
+ GRS80 параметрлері Параметр белгілеуі Мәні Үлкен жартылай ось 6378137 Тегістеудің кері шамасы 298.257222101
Дүниежүзілік геодезиялық жүйе 1984 (WGS 84)
GPS (Global Positioning System) Жер бетіне жақын нүктенің орналасқан жерін анықтау үшін 1984 жылғы Дүниежүзілік геодезиялық жүйені (WGS 84) пайдаланады. + WGS 84 анықтама параметрлері Параметр белгілеуі Мәні Үлкен жарты ось 6378137.0 Тегістеудің кері шамасы 298.257223563
+ WGS 84 есептелген геометриялық тұрақтылары Тұрақты белгілеуі Мәні Кіші жарты ось 6356752.3142 Бірінші эксцентриситеттің квадраты 6.69437999014 Екінші эксцентриситеттің квадраты 6.73949674228
Датумның түрленуі
Датумдар арасындағы координаттар айырмашылығы жиі даталық ығысу деп аталады. Екі нақты датум арасындағы даталық ығысу бір елде немесе аймақта әртүрлі болуы мүмкін, ал мәні нөлден жүздеген метрге (немесе кейбір шалғай аралдар үшін бірнеше километрге) дейін жетеді. Солтүстік полюс, Оңтүстік полюс және Экватор әртүрлі датумдарда әртүрлі орналасқандықтан, нақты солтүстік бағыты да сәл өзгеше болады. Әртүрлі датумдар Жердің нақты пішіні мен мөлшері үшін әртүрлі интерполяцияларды (анықтамалық эллипсоидтарды) пайдаланады. Мысалы, Сиднейде GDA (жаһандық стандарт WGS 84 негізінде) және AGD (көбінесе жергілікті карталарда қолданылады) конфигурацияланған GPS координаттары арасында 200 метр (700 фут) айырмашылық бар, бұл кейбір қолданбалар үшін, мысалы, геодезиялық жұмыстарда немесе су астына сүңгуге арналған жерді анықтауда қабылдауға болмайтын үлкен қателік болып табылады. Датумды түрлендіру – бұл нүктенің координаттарын бір датум жүйесінен екіншісіне түрлендіру процесі. Датумдарды негізге алатын геодезиялық желілердің бұрыштас болуы және ерте геодезиялық жұмыстардағы қателердің тең емес таралуы салдарынан, датумды түрлендіруді қарапайым параметрлік функцияны қолдану арқылы жүргізу мүмкін емес. Мысалы, NAD27-ден NAD83-ке түрлендіру NADCON (кейіннен HARN ретінде жақсартылған) арқылы жүзеге асырылады, ол Солтүстік Американы қамтитын растрлық тор, ал әр ұяшықтың мәні сол аймақ үшін ендік және бойлық бойынша орташа түзету қашықтығын көрсетеді. Датумды түрлендіру жиі карта проекциясын өзгертумен бірге жүреді.
Талқылау және мысалдар
Геодезиялық анықтамалық жүйе – Жер бетіндегі белгісіз нүктелердің орналасуын сипаттау үшін қолданылатын белгілі және тұрақты бет. Анықтамалық жүйелердің радиусы мен орталық нүктелері әртүрлі болуы мүмкін болғандықтан, Жер бетіндегі бірдей нүктенің координаттары өлшеуге қолданылған жүйеге байланысты айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Әлемде жүздеген жергілікті түрде жасалған анықтамалық жүйелер бар, олар көбінесе ыңғайлы жергілікті анықтамалық нүктеге сілтеме жасайды. Жердің пішінін күдіреттірек өлшеулерге негізделген заманауи жүйелер кеңірек аумақтарды қамтуға бағытталған. Солтүстік Америкада ең көп қолданылатын анықтамалық жүйелер – NAD27, NAD83 және WGS 84. Солтүстік Американың 1927 жылғы анықтамалық жүйесі (NAD 27) – "1866 жылғы Кларк сфероидындағы орналасқан жері мен азимутымен анықталған АҚШ-тың көлденең бақылау жүйесі, бастауы (геодезиялық станциясы) Мидс Ранчта (Канзас штаты)" болып табылады. Мидс Ранчтағы геоидалық биіктік нөлге тең деп есептелді, себебі гравитация туралы жеткілікті деректер болмады, ал бұл беттік өлшеулерді жүйемен байланыстыру үшін қажет болды. "1927 жылғы Солтүстік Американың геодезиялық позициялары (Мидс Ранчтағы координаттары мен азимуты) Лапластың азимуттары енгізілген және Боуи әдісі қолданылған бүкіл желідегі үшбұрыштарды қайта есептеу арқылы алынған". (http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum) NAD27 – Солтүстік Американы қамтитын жергілікті анықтамалық жүйе. 1983 жылғы Солтүстік Американың анықтамалық жүйесі (NAD 83) – "геоцентрлік бастауы мен 1980 жылғы Геодезиялық анықтамалық жүйеге (GRS80) негізделген АҚШ, Канада, Мексика және Орталық Американың көлденең бақылау жүйесі". "NAD 83 деп аталатын бұл жүйе 250 000 нүктені, оның ішінде 600 спутниктік Допплер станцияларын реттеуге негізделген, олар жүйені геоцентрлік бастауға бекітеді". NAD83 жергілікті анықтамалық жүйе деп санауға болады. WGS 84 – 1984 жылғы Дүниежүзілік геодезиялық жүйе. Бұл АҚШ Қорғаныс министрлігі (DoD) қолданатын және Ұлттық геокеңістіктік барлау агенттігі (NGA) (бұрынғы Қорғаныс карталау агенттігі, кейін Ұлттық бейнелеу және карталау агенттігі) анықтаған анықтамалық шеңбер. WGS 84 Қорғаныс министрлігінің картаға түсіру, навигация және зерттеу қажеттіліктері үшін, соның ішінде GPS "хабарламасы" және "дәл" орбиталары үшін қолданылады. WGS 84 1987 жылдың қаңтар айында Допплер спутнигімен жүргізілген зерттеулер арқылы анықталды. 1987 жылдың 23 қаңтарынан бастап GPS Эфемеридаларының (орбиталар) хабарламаларын тарату үшін анықтамалық шеңбер ретінде қолданылды. 1994 жылдың 2 қаңтарында 00:00 GMT-де WGS 84 GPS өлшеулерін пайдалану арқылы жаңартылды. Сол себепті ресми атауы WGS 84 (G730) болды, өйткені жаңарту күні GPS аптасының 730-шы күнімен сәйкес келді. 1994 жылдың 28 маусымында бұл орбиталар таратудың анықтамалық жүйесіне айналды. 1996 жылдың 30 қыркүйегінде 00:00 GMT (GPS аптасының 873-ші күні) WGS 84 тағы да жаңартылды және Халықаралық Жердің айналу қызметінің (IERS) ITRF 94 шеңберімен үйлестірілді. Ол кезде ол ресми түрде WGS 84 (G873) деп аталды. WGS 84 (G873) 1997 жылдың 29 қаңтарында орбиталар тарату үшін анықтамалық шеңбер ретінде қабылданды. Тағы бір жаңарту оны WGS 84 (G1674) деңгейіне жеткізді. Солтүстік Америкада қолданылатын NAD83 жүйесінен екі метрге жуық қашықтықтағы WGS 84 жүйесі – бүгінгі таңда қолданылып жүрген жалғыз дүниежүзілік анықтамалық жүйе. WGS 84 – GPS құрылымдарында сақталатын координаттар үшін стандартты анықтамалық жүйе. GPS пайдаланушылары қолданылатын карталардың анықтамалық жүйесін міндетті түрде тексеруі керек. Карта координаттарын дұрыс енгізу, көрсету және сақтау үшін картаның анықтамалық жүйесі GPS картасының анықтамалық жүйесіне енгізілуі тиіс.
Тақта қозғалысы
Жердің тектоникалық тақталары бір-біріне қатысты әртүрлі бағыттарда жылдамдықпен, шамамен жыл сайын қозғалады. Сондықтан, әртүрлі тақталардағы жерлер бір-біріне қатысты қозғалыста болады. Мысалы, Африка тақтасындағы Угандадағы экватордағы нүкте мен Оңтүстік Америка тақтасындағы Эквадордағы экватордағы нүкте арасындағы бойлық айырма жыл сайын шамамен 0,0014 доға секундқа ұзарады. Бұл тектоникалық қозғалыстар ендікке де әсер етеді. Егер ғаламдық координат жүйесі (мысалы, WGS84) қолданылса, жер бетіндегі бір жердің координаттары жылдан жылға өзгереді. Көптеген карталар, мысалы, бір ел ішінде жасалған карталар, тақталарды қамтымайды. Мұндай жағдайда координаттардың өзгеруін азайту үшін, координаттары осы нақты тақтаға бекітілген басқа координат жүйесін қолдануға болады. Мұндай координат жүйелерінің мысалдары – Солтүстік Америка үшін "NAD83" және Еуропа үшін "ETRS89".