Datum geodésico - Geodetic datum

Um datum geodésico ou sistema geodésico (também: datum de referência geodésica , sistema de referência geodésico ou referencial geodésico ) é uma referência de datum global ou quadro de referência para medir precisamente localizações na Terra ou outros corpos planetários. Os dados são cruciais para qualquer tecnologia ou técnica baseada em localização espacial, incluindo geodésia , navegação , levantamento , sistemas de informação geográfica , sensoriamento remoto e cartografia . Um datum horizontal é usado para medir uma localização na superfície da Terra , em latitude e longitude ou outro sistema de coordenadas; um datum vertical é usado para medir a elevação ou profundidade em relação a uma origem padrão, como o nível médio do mar (MSL). Desde o surgimento do sistema de posicionamento global (GPS), o elipsóide e datum WGS 84 que ele usa suplantou a maioria dos outros em muitas aplicações. O WGS 84 destina-se ao uso global, ao contrário da maioria dos datums anteriores.

Antes do GPS, não havia uma maneira precisa de medir a posição de um local que estava longe dos pontos de referência universais, como do Meridiano Principal no Observatório de Greenwich para longitude, do Equador para latitude ou da costa mais próxima para o nível do mar . Os métodos astronômicos e cronológicos têm precisão e exatidão limitadas, especialmente em longas distâncias. Mesmo o GPS requer uma estrutura predefinida na qual basear suas medições, então o WGS 84 funciona essencialmente como um datum, embora seja diferente em alguns detalhes de um datum horizontal ou vertical padrão tradicional.

Uma especificação de datum padrão (seja horizontal ou vertical) consiste em várias partes: um modelo para a forma e dimensões da Terra, como um elipsóide de referência ou um geóide ; uma origem na qual o elipsóide / geóide está ligado a uma localização conhecida (frequentemente monumentada) na ou dentro da Terra (não necessariamente em 0 latitude 0 longitude); e vários pontos de controle que foram medidos com precisão desde a origem e monumentados. Em seguida, as coordenadas de outros locais são medidas a partir do ponto de controle mais próximo por meio de levantamento . Como o elipsóide ou geóide difere entre datums, junto com suas origens e orientação no espaço, a relação entre as coordenadas referidas a um datum e as coordenadas referidas a outro datum é indefinida e só pode ser aproximada. Usando datums locais, a disparidade no solo entre um ponto com as mesmas coordenadas horizontais em dois datums diferentes pode chegar a quilômetros se o ponto estiver longe da origem de um ou ambos os datums. Este fenômeno é chamado de mudança de datum .

Como a Terra é um elipsóide imperfeito, os datums locais podem dar uma representação mais precisa de alguma área específica de cobertura do que o WGS 84 pode. OSGB36 , por exemplo, é uma aproximação melhor do geóide que cobre as Ilhas Britânicas do que o elipsóide WGS 84 global. No entanto, como os benefícios de um sistema global superam a maior precisão, o datum WGS 84 global está se tornando cada vez mais adotado.

Comparativo de mercado de dados da cidade de Chicago

História

O Grande Levantamento Trigonométrico da Índia, um dos primeiros levantamentos abrangentes o suficiente para estabelecer um datum geodésico.

A natureza esférica da Terra era conhecida pelos antigos gregos, que também desenvolveram os conceitos de latitude e longitude, e os primeiros métodos astronômicos para medi-los. Esses métodos, preservados e desenvolvidos por astrônomos muçulmanos e indianos, foram suficientes para as explorações globais dos séculos XV e XVI.

No entanto, os avanços científicos da Idade do Iluminismo trouxeram um reconhecimento dos erros nessas medições e uma demanda por maior precisão. Isso levou a inovações tecnológicas, como o cronômetro da Marinha de 1735, de John Harrison , mas também a uma reconsideração das suposições subjacentes sobre a forma da própria Terra. Isaac Newton postulou que a conservação do momento deveria tornar a Terra oblata (mais larga no equador), enquanto as primeiras pesquisas de Jacques Cassini (1720) o levaram a acreditar que a Terra era prolata (mais larga nos pólos). As subsequentes missões geodésicas francesas (1735-1739) para a Lapônia e o Peru corroboraram Newton, mas também descobriram variações na gravidade que acabariam levando ao modelo geóide .

Um desenvolvimento contemporâneo foi o uso do levantamento trigonométrico para medir com precisão a distância e a localização em grandes distâncias. Começando com as pesquisas de Jacques Cassini (1718) e a Pesquisa Anglo-Francesa (1784-1790) , até o final do século 18, as redes de controle de pesquisas cobriam a França e o Reino Unido . Empreendimentos mais ambiciosos como o Arco Geodésico de Struve na Europa Oriental (1816-1855) e o Grande Levantamento Trigonométrico da Índia (1802-1871) demoraram muito mais, mas resultaram em estimativas mais precisas da forma do elipsóide terrestre . A primeira triangulação nos Estados Unidos não foi concluída até 1899.

A pesquisa dos Estados Unidos resultou no North American Datum (horizontal) de 1927 (NAD27) e no Vertical Datum de 1929 (NAVD29), os primeiros datums padrão disponíveis para uso público. Isso foi seguido pelo lançamento de dados nacionais e regionais ao longo das décadas seguintes. Melhorar as medições, incluindo o uso dos primeiros satélites , permitiu datums mais precisos no final do século 20, como NAD83 na América do Norte, ETRS89 na Europa e GDA94 na Austrália. Nessa época, datums globais também foram desenvolvidos pela primeira vez para uso em sistemas de navegação por satélite , especialmente o World Geodetic System (WGS 84) usado no sistema de posicionamento global (GPS) dos EUA , e o International Terrestrial Reference System and Frame (ITRF) usado no Sistema europeu Galileo .

Datum horizontal

O datum horizontal é o modelo usado para medir as posições na Terra. Um ponto específico pode ter coordenadas substancialmente diferentes, dependendo do datum usado para fazer a medição. Existem centenas de datums horizontais locais ao redor do mundo, geralmente referenciados a algum ponto de referência local conveniente. Os datums contemporâneos, baseados em medições cada vez mais precisas da forma da Terra, destinam-se a cobrir áreas maiores. O datum WGS 84 , que é quase idêntico ao datum NAD83 usado na América do Norte e ao datum ETRS89 usado na Europa, é um datum padrão comum.

Datum vertical

Um datum vertical é uma superfície de referência para posições verticais , como as elevações de recursos da Terra, incluindo terreno , batimetria , nível de água e estruturas feitas pelo homem.

Uma definição aproximada do nível do mar é o datum WGS 84 , um elipsóide , enquanto uma definição mais precisa é o Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), usando pelo menos 2.159 harmônicos esféricos . Outros datums são definidos para outras áreas ou em outros momentos; O ED50 foi definido em 1950 na Europa e difere do WGS 84 por algumas centenas de metros, dependendo de onde você olha na Europa. Marte não tem oceanos e, portanto, não tem nível do mar, mas pelo menos dois datums marcianos foram usados ​​para localizar lugares lá.

Coordenadas geodésicas

A mesma posição em um esferóide tem um ângulo diferente para a latitude dependendo se o ângulo é medido a partir do segmento de linha normal CP do elipsóide (ângulo α ) ou o segmento de linha OP do centro (ângulo β ). Observe que o " achatamento" do esferóide (laranja) na imagem é maior do que o da Terra; como resultado, a diferença correspondente entre as latitudes "geodésica" e "geocêntrica" ​​também é exagerada.

Em coordenadas geodésicas, a superfície da Terra é aproximada por um elipsóide e as localizações próximas à superfície são descritas em termos de latitude ( ), longitude ( ) e altura ( ).

Latitude geodésica versus geocêntrica

A latitude geodésica e a latitude geocêntrica representam quantidades semelhantes com definições diferentes. A latitude geodésica é definida como o ângulo entre o plano equatorial e a normal da superfície em um ponto do elipsóide, enquanto a latitude geocêntrica é definida como o ângulo entre o plano equatorial e uma linha radial conectando o centro do elipsóide a um ponto na superfície (Veja a figura). Quando usado sem qualificação, o termo latitude se refere à latitude geodésica. Por exemplo, a latitude usada em coordenadas geográficas é a latitude geodésica. A notação padrão para latitude geodésica é φ . Não há notação padrão para latitude geocêntrica; exemplos incluem θ , ψ , φ ′ .

Da mesma forma, altitude geodésica é definida como a altura acima da superfície do elipsóide, normal ao elipsóide; enquanto a altitude geocêntrica é definida como a altura acima da superfície do elipsóide ao longo de uma linha até o centro do elipsóide (o raio). Quando usado sem qualificação, o termo altitude refere-se à altitude geodésica; como é usado na aviação. A altitude geocêntrica é normalmente usada em mecânica orbital .

Elipsóide de referência terrestre

Definindo e parâmetros derivados

O elipsóide é completamente parametrizado pelo semi-eixo maior e o achatamento .

Parâmetro Símbolo
Semi-eixo maior
Recíproco de achatamento

De e é possível derivar o eixo semi-menor , primeira excentricidade e segunda excentricidade do elipsóide

Parâmetro Valor
Semi-eixo menor
Primeira excentricidade ao quadrado
Segunda excentricidade ao quadrado

Parâmetros para alguns sistemas geodésicos

Os dois principais elipsóides de referência usados ​​em todo o mundo são o GRS80 e o WGS 84.

Uma lista mais abrangente de sistemas geodésicos pode ser encontrada aqui .

Sistema de Referência Geodésica 1980 (GRS80)

Parâmetros GRS80
Parâmetro Notação Valor
Semi-eixo maior 6 378 137  m
Recíproco de achatamento 298,257 222 101

World Geodetic System 1984 (WGS 84)

O Global Positioning System (GPS) usa o World Geodetic System 1984 (WGS 84) para determinar a localização de um ponto próximo à superfície da Terra.

WGS 84 definindo parâmetros
Parâmetro Notação Valor
Semi-eixo maior 6 378 137 0,0 m
Recíproco de achatamento 298,257 223 563
Constantes geométricas derivadas WGS 84
Constante Notação Valor
Semi-eixo menor 6 356 752 ,3142 m
Primeira excentricidade ao quadrado 6,694 379 990 14 × 10 −3
Segunda excentricidade ao quadrado 6,739 496 742 28 × 10 −3

Transformação Datum

A diferença nas coordenadas entre os datums é comumente referida como mudança de datum . A mudança de datum entre dois datums particulares pode variar de um lugar para outro dentro de um país ou região, e pode ser qualquer coisa de zero a centenas de metros (ou vários quilômetros para algumas ilhas remotas). O Pólo Norte , o Pólo Sul e o Equador estarão em posições diferentes em datums diferentes, então o Norte Verdadeiro será um pouco diferente. Datums diferentes usam interpolações diferentes para a forma e tamanho precisos da Terra ( elipsóides de referência ). Por exemplo, em Sydney, há uma diferença de 200 metros (700 pés) entre as coordenadas GPS configuradas no GDA (com base no padrão global WGS 84) e AGD (usado para a maioria dos mapas locais), o que é um erro inaceitavelmente grande para algumas aplicações, como como levantamento ou localização de local para mergulho .

A conversão do datum é o processo de conversão das coordenadas de um ponto de um sistema datum para outro. Como as redes de levantamento nas quais os datums se baseavam tradicionalmente são irregulares e o erro nos primeiros levantamentos não é uniformemente distribuído, a conversão do datum não pode ser realizada usando uma função paramétrica simples. Por exemplo, a conversão de NAD27 para NAD83 é realizada usando NADCON (posteriormente aprimorado como HARN), uma grade raster que cobre a América do Norte, com o valor de cada célula sendo a distância de ajuste média para aquela área em latitude e longitude. A conversão do datum pode frequentemente ser acompanhada por uma mudança na projeção do mapa .

Discussão e exemplos

Um datum de referência geodésica é uma superfície conhecida e constante que é usada para descrever a localização de pontos desconhecidos na Terra. Como os datums de referência podem ter raios e pontos centrais diferentes, um ponto específico na Terra pode ter coordenadas substancialmente diferentes, dependendo do datum usado para fazer a medição. Existem centenas de datums de referência desenvolvidos localmente em todo o mundo, geralmente referenciados a algum ponto de referência local conveniente. Os datums contemporâneos, baseados em medições cada vez mais precisas da forma da Terra, destinam-se a cobrir áreas maiores. Os Datums de referência mais comuns em uso na América do Norte são NAD27, NAD83 e WGS 84 .

O dado norte-americano de 1927 (NAD 27) é "o dado de controle horizontal para os Estados Unidos que foi definido por uma localização e azimute no esferóide Clarke de 1866, com origem (na estação de pesquisa) Meades Ranch (Kansas) ." ... A altura geoidal no Rancho Meades foi considerada zero, já que não havia dados de gravidade suficientes disponíveis, e isso era necessário para relacionar as medições da superfície ao datum. "As posições geodésicas no Datum da América do Norte de 1927 foram derivadas de (coordenadas de e um azimute no Rancho Meades) por meio de um reajuste da triangulação de toda a rede na qual os azimutes de Laplace foram introduzidos e o método Bowie foi usado." ( http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum ) NAD27 é um sistema de referência local que cobre a América do Norte.

O Datum da América do Norte de 1983 (NAD 83) é "O datum de controle horizontal para os Estados Unidos, Canadá, México e América Central, com base em uma origem geocêntrica e no Sistema de Referência Geodésica 1980 ( GRS80 )." Este datum, designado como O NAD 83 ... é baseado no ajuste de 250.000 pontos, incluindo 600 estações Doppler de satélite que restringem o sistema a uma origem geocêntrica. "O NAD83 pode ser considerado um sistema de referência local.

WGS 84 é o Sistema Geodésico Mundial de 1984. É o quadro de referência usado pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD) e é definido pela National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) (anteriormente Defense Mapping Agency, depois National Imagery e Agência de Mapeamento). O WGS 84 é usado pelo DoD para todas as suas necessidades de mapeamento, mapeamento, levantamento e navegação, incluindo sua "transmissão" GPS e órbitas "precisas". O WGS 84 foi definido em janeiro de 1987 usando técnicas de levantamento de satélite Doppler. Foi usado como referencial para transmissão de efemérides de GPS (órbitas) começando em 23 de janeiro de 1987. Em 0000 GMT de 2 de janeiro de 1994, o WGS 84 foi atualizado em precisão usando medições de GPS. O nome formal então se tornou WGS 84 (G730), uma vez que a data de atualização coincidiu com o início da Semana GPS 730. Ele se tornou o referencial para órbitas de transmissão em 28 de junho de 1994. Às 0000 GMT de 30 de setembro de 1996 (início do GPS Semana 873), WGS 84 foi redefinido novamente e estava mais alinhado com o quadro ITRF 94 do Serviço Internacional de Rotação da Terra (IERS) . Era então formalmente chamado de WGS 84 (G873). O WGS 84 (G873) foi adotado como quadro de referência para órbitas de transmissão em 29 de janeiro de 1997. Outra atualização trouxe o WGS 84 (G1674).

O datum WGS 84, a dois metros do datum NAD83 usado na América do Norte, é o único sistema de referência mundial em funcionamento hoje. WGS 84 é o datum padrão padrão para coordenadas armazenadas em unidades recreativas e comerciais de GPS.

Os usuários de GPS são alertados de que devem sempre verificar os datum dos mapas que estão usando. Para inserir, exibir e armazenar corretamente as coordenadas do mapa relacionadas, o datum do mapa deve ser inserido no campo de datum do mapa GPS.

Exemplos

Exemplos de datums de mapa são:

Movimento da placa

As placas tectônicas da Terra se movem em relação umas às outras em diferentes direções a velocidades da ordem de 50 a 100 mm (2,0 a 3,9 pol.) Por ano. Portanto, os locais em diferentes placas estão em movimento um em relação ao outro. Por exemplo, a diferença longitudinal entre um ponto no equador em Uganda, na placa africana , e um ponto no equador no Equador, na placa sul-americana , aumenta em cerca de 0,0014 segundos de arco por ano. Esses movimentos tectônicos também afetam a latitude.

Se um referencial global (como WGS84 ) for usado, as coordenadas de um lugar na superfície geralmente mudarão de ano para ano. A maioria dos mapeamentos, como dentro de um único país, não abrange placas. Para minimizar as mudanças de coordenadas para esse caso, um quadro de referência diferente pode ser usado, um cujas coordenadas são fixadas a essa placa particular. Exemplos desses referenciais são " NAD83 " para a América do Norte e " ETRS89 " para a Europa.

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Leitura adicional

  1. Lista de parâmetros geodésicos para muitos sistemas da Universidade do Colorado
  2. Gaposchkin, EM e Kołaczek, Barbara (1981) Reference Coordinate Systems for Earth Dynamics Taylor & Francis ISBN  9789027712608
  3. Kaplan, Entendendo GPS: princípios e aplicações , 1 ed. Norwood, MA 02062, EUA: Artech House, Inc, 1996.
  4. Notas GPS
  5. P. Misra e P. Enge, Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance . Lincoln, Massachusetts: Ganga-Jamuna Press, 2001.
  6. Peter H. Dana: Visão geral do Datum Geodésico - Grande quantidade de informações técnicas e discussão.
  7. US National Geodetic Survey

links externos