Системы координат и преобразования между ними

Описание систем координат, применяемых в геодезии. Технологические схемы преобразования координат. Составление каталогов геодезических, пространственных прямоугольных, плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера в системах ПЗ-90.02, СК-42, СК-95.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ"

Институт дистанционного обучения

Кафедра теоретической геодезии и дистанционного зондирования

Курсовая работа

по дисциплине "Системы координат"

Системы координат и преобразования между ними

Новосибирск 2014г.



Введение

Цель курсовой работы:

1.Описать системы координат, применяемые в геодезии. Показать их достоинства и недостатки.

2.Предложить возможные технологические схемы преобразования координат из одной системы в другую. Привести рабочие формулы, необходимые для этих преобразований. Сделать выбор оптимальной технологической схемы.

3.Выполнить необходимые вычисления и получить каталоги геодезических, пространственных прямоугольных, плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера в системах ПЗ-90.02, СК-42, СК-95.

4.Обосновать целесообразность ввода местной системы (СКМ) плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера.

5.Преобразовать для заданной точки плоские прямоугольные координаты Гаусса-Крюгера из СК-95 в СКМ. Оценить величину изменений линейных искажений и дирекционных углов.

координата геодезия пространственный прямоугольный



1. Классификации систем координат

Для решения различных задач, связанных с осуществлением хозяйственной деятельности на территории государства или его субъектов, приходится, в силу ряда причин, использовать разные системы координат (Рис.1), каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Существует несколько классификаций систем координат. С одной стороны имеются системы геодезических пространственных, прямоугольных пространственных, плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера. Система геодезических пространственных координат связана с поверхностью эллипсоида вращения, принимаемого за модель Земли. Положение любой точки пространства в этой системе будет однозначно определяться тремя координатами: геодезической широтой B, геодезической долготой L и геодезической высотой H^Г. Тремя координатами (X, Y, Z) определяется положение любой точки и в системе прямоугольных пространственных координат.

Рис. 1. Основные системы координат, используемые в геодезии



Эта система не связана с поверхностью модели Земли и поэтому используется при математической обработке результатов спутниковых наблюдений (например, для определения координат точки с помощью спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS).

Однако основной системой координат для выполнения геодезических, инженерно-геодезических и топографических работ, межевания земель и ведения земельного кадастра и осуществления других специальных работ является система плоских прямоугольных координат. Она всегда связана с тем или иным математическим законом (проекцией) изображения поверхности эллипсоида вращения на плоскости. На территории Российской Федерации используется проекция Гаусса-Крюгера.

В любой проекции поверхность модели Земли должна делиться на участки (обычно они называются зонами), которые изображаются на плоскости независимо друг от друга. Граничными линиями зон в проекции Гаусса-Крюгера являются геодезические меридианы. Размеры зон по долготе в принципе могут быть любыми. Обычно используются шести и трех градусные зоны. Меридиан, проходящий посредине зоны, называется осевым. Изображения осевого меридиана и экватора эллипсоида на плоскости принимаются за координатные оси, а точка их пересечения за начало системы действительных плоских прямоугольных координат. При этом ось абсцисс направлена на север, а ось ординат на восток.

Таким образом, в каждой зоне имеется своя система координат. Для того, чтобы различать зоны необходимо знать либо ее номер, присвоенный заранее, либо долготу ее осевого меридиана L₀. Для выполнения взаимных преобразований координат из одной системы в другую с необходимой точностью в геодезической литературе имеются строгие формулы, которые позволяют решать эти задачи на любом эллипсоиде вращения. Для выпол-нения вычислений (переходов, изображенных вертикальными стрелками на рис. 1) необходимо использовать параметры применяемого эллипсоида вращения ( a, e ² ) и долготу осевого меридиана L₀ выбранной зоны.

С другой стороны каждая из перечисленных систем координат может быть общеземной и государственной. Примерами общеземных систем координат являются в настоящее время системы ПЗ-90.02 (ранее ПЗ-90) и WGS-84, а государственных - СК-42 и СК-95. Для горизонтальных связей между системами (рис.1) также имеются специальные формулы. Однако числовые значения параметров преобразования систем СК-42 и ПЗ-90 известны с недостаточной для решения многих задач точностью. Это явилось одной из причин ввода на территории России новой единой государственной системы координат 1995 года (СК-95). Новая система координат введена постановлением №586 Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 года и обязательна при осуществлении геодезических и картографических работ начиная с 1 июля 2002 года.

Кроме этого система плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера может быть местной. Под местной системой понимается такая система координат, в которой начало отсчета координат и ориентировка осей координат смещены по отношению к началу отсчета и положению координатных осей в единой государственной системе координат. В свою очередь внутри систем местных плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера можно выделить две группы: региональные (СКР) и собственно местные (СКМ).

Региональными плоскими прямоугольными координатами Гаусса-Крюгера (СКР) следует считать те, которые реализуются в нескольких зонах на территории субъектов Российской Федерации, а местными те, которые вводятся на территории населенных пунктов, строительных площадок и т. п. и реализуются в одной зоне.

В последующих разделах методических указаний рассмотрим перечисленные системы координат, их достоинства и недостатки, а также приведем формулы для взаимного преобразования координат из одной системы в другую.



2. Система геодезических пространственных координат

В системе геодезических пространственных координат положении любой точки пространства можно задать тремя координатами (рис. 2): геодезической широтой В, геодезической долготой L и геодезической высотой Н^Г.

Рис. 2. Система геодезических пространственных координат

Геодезической широтой В называется острый угол, образованный нормалью Kn к поверхности эллипсоида вращения и плоскостью его экватора. Нормалью к поверхности в заданной точке является перпендикуляр к касательной плоскости в точке К₁. Геодезическая широта изменяется от 0 на экваторе до 90 градусов на полюсах. Различают северные и южные широты для соответствующих полушарий.

Координатная линия равных широт называется геодезической параллелью. С геометрической точки зрения она представляет собой линию пересечения поверхности эллипсоида вращения и плоскости перпендикулярной оси его вращения. Все геодезические параллели - окружности разного радиуса. Если секущая плоскость будет проходить через центр эллипсоида, то будет получена параллель максимального радиуса называемая экватором.

Геодезической долготой L называется двугранный угол, образованный плоскостями геодезических меридианов начального (Гринвича) и точки К (меридиан РК₁GР₁). Долгота может изменяться от 0 до 360 градусов и отсчитываться от Гринвичского меридиана на восток или изменяться от 0 до 180 градусов. В последнем случае необходимо указывать к востоку или к западу от Гринвича находится точка К.

Координатная линия равных долгот является геодезическим меридианом. Геодезический меридиан это части линии пересечения поверхности эллипсоида вращения и плоскости, содержащей ось вращения и заключенная между полюсами. Все геодезические меридианы одинаковы и являются половинами эллипсов.

Геодезической высотой Н^Г принято называть отрезок нормали КК₁ к поверхности эллипсоида вращения, заключенный между этой поверхностью и точкой К (Н^Г=КК₁). Геодезическая высота обычно положительна, но встречаются особые случаи, когда она может быть отрицательной (например, в шахтах, карьерах и т. п.). Геодезическую высоту не следует путать с ортометрической и нормальной высотами, которые отсчитываются от начальных уровенной (геоид) или почти уровенной (квазигеоид) поверхностей соответственно. Различия между ними могут достигать десятков метров. На территории РФ в каталогах координат пунктов и реперов хранятся нормальные высоты.

Данная система координат обладает рядом достоинств:

1. Триада координат B, L, H^Г однозначно определяет положение любой точки пространства.

2. Она едина для всей поверхности Земли, что позволяет объединять в общей координатной системе материалы геодезических, съемочных и картографических работ.

3. Координатными линиями в этой системе являются геодезические меридианы и параллели, относящиеся непосредственно к поверхности эллипсоида вращения. Поэтому они являются основными линиями любой картографической проекции, их используют для составл...