PAŃSTWOWY SYSTEM ODNIESIEŃ PRZESTRZENNYCH CZĘŚĆ 1: SYSTEMY I UKŁADY ODNIESIENIA W POLSCE

Transkrypt

1 GŁÓWNY URZĄD GEODEZJI I KARTOGRAFII DEPARTAMENT GEODEZJI KARTOGRAFII I SYSTEMÓW INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ PAŃSTWOWY SYSTEM ODNIESIEŃ PRZESTRZENNYCH CZĘŚĆ 1: SYSTEMY I UKŁADY ODNIESIENIA W POLSCE Projekt współfinansowany przez Unię Europejską Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego Opracowanie: Ryszard Pażus Korekta: Andrzej Borkowski Weryfikacja: Jarosław Bosy Materiał szkoleniowy Reprodukowanie, kopiowanie, fotografowanie, skanowanie części lub całości materiału bez zgody Głównego Geodety Kraju jest zabronione Wszelkie prawa zastrzeżone Główny Geodeta Kraju 1/46

2 Współrzędne prostokątne 2/46

3 Współrzędne krzywoliniowe 3/46

4 Elipsoida obrotowa jako model Ziemi Elipsoida lokalna, np.: Elipsoida Krasowskiego Elipsoida Bessela Elipsoida globalna Elipsoida GRS80 4/46

5 Współrzędne kartograficzne: Odwzorowanie Gaussa-Kruegera a UTM konforemne poprzeczne, walcowe współczynnik skali na południku osiowym 1:0 zniekształcenie na skraju strefy 6 około 0.67 m/km odwzorowanie sieczne południki przecięcia oddalone od południka osiowego ok. 180 km. skala na południku osiowym: zniekształcenie długości: od m/km na południku osiowym do m/km na skraju 5/46

6 System odniesienia (reference system) stanowi zbiór ustaleń i zaleceń wraz z opisem modeli niezbędnych do zdefiniowania początku, skali (metryki) i orientacji osi oraz zmienności tych parametrów w czasie. Układ odniesienia (reference frame) stanowi praktyczna realizacje systemu odniesienia. Na układ odniesienia składają się wyznaczone z obserwacji wartości parametrów opisujących początek układu, skalę i orientacje osi oraz ich zmienność w czasie. 6/46

7 niebieski system odniesienia ziemski system odniesienia układ odniesienia statyczny - zdefiniowany przez zbiór współrzędnych punktów kinematyczny - zdefiniowany przez współrzędne punktów realizujących system odniesienia oraz zmiany w czasie współrzędnych tych punktów (prędkości) 7/46

8 Międzynarodowy Ziemski System Odniesienia International Terrestrial Reference System (ITRS) ( ITRS został zdefiniowany przez przestrzenny obrót względem nie obracającego się systemu geocentrycznego ICRS (Międzynarodowy Niebieski System Odniesienia) przy zachowaniu następujących warunków: jest układem geocentrycznym o początku w centrum mas Ziemi (łącznie z oceanami i atmosfera); jednostka długości jest metr (SI). Skala systemu jest spójna z czasem współrzędnych geocentrycznych TCG; orientacja ITRS jest zgodna z orientacja Międzynarodowego Biura Czasu (Bureau International de l Heure) BIH dla epoki ; zmienność orientacji w czasie jest określana poprzez zastosowanie warunku, ze globalna suma poziomych ruchów tektonicznych nie zawiera składowych obrotu. 8/46

9 ITRS jest pierwszym systemem kinematycznym. ITRS jest realizowany poprzez estymację współrzędnych i prędkości (wraz z pełna macierzą wariancyjnokowariancyjną) stacji w oparciu o obserwacje VLBI, LLR, GPS, SLR i DORIS prowadzone na tych stacjach. Realizacje te noszą nazwę: Międzynarodowy Ziemski Układ Odniesienia ITRF. Definicja ITRS i jego realizacja w postaci układu odniesienia ITRF jest jednym z zadań Międzynarodowej Służby Ruchu Obrotowego Ziemi (IERS) 9/46

10 W zastosowaniach regionalnych minusem ITRS jest ciągła zmiana współrzędnych punktów spowodowana tektoniką płyt, dlatego, na posiedzeniu EUREF we Florencji w 1990 roku, postanowiono wprowadzić dla Europy system odniesienia, który będzie się poruszał wraz z płyta euroazjatycką 10/46

11 Definicja Europejski Ziemski System Odniesienia European Terrestrial Reference System 89 (ETRS89) Zgodnie z Rezolucja nr 1 Podkomisji EUREF Międzynarodowej Asocjacji Geodezji IAG ziemski system odniesienia EUREF jest zgodny z ITRS na epokę przy założeniu stałości Płyty Euroazjatyckiej i nazywa się Europejski Ziemski System Odniesienia 89 (European Terrestrial Reference System 89 - ETRS89) Dla zapewnienia zgodności z układem ITRS do jego zdefiniowania wykorzystano siec europejskich stacji SLR (8 stacji) i VLBI (7 stacji), które brały udział w rozwiązaniu układu ITRF89. Realizacja Układ ETRF jest realizacja systemu ITRS na epokę t0 = 1989:0 (ITRF89), przy założeniu stałości płyty euroazjatyckiej. Rozwiązanie to nosi nazwę ETRF89 i stanowi układ odniesienia dla większości państw europejskich. Od roku 1997 układ ETRF jest realizowany przez siec stacji permanentnych (EUREF Permanent Network : EPN. Obecnie stosowanym rozwiązaniem układu ETRF jest ETRF2000 ale współrzędne wszystkich stacji są wyznaczane także w rozwiązaniu ETRF89 na epokę obserwacji. 11/46

12 Za utrzymanie ETRF odpowiada siec stacji permanentnych: EUREF Permanent Network (EPN) 12/46

13 Stacja WROC sieci EPN wieloletnie ciągi obserwacyjne z danej stacji, opracowane z obserwacjami innych stacji EPN, dostarczają informacji o zmienności współrzędnych stacji 13/46

14 1. Przed rokiem 1989 w Europie były dwie koncepcje jednolitych układów odniesienia dla Europy, jedną tworzyły państwa Europy Zachodniej, drugą: państwa tzw. obozu socjalistycznego. 2. Rozwój systemu GPS spowodował, że w ramach Komisji X (Sieci Kontynentalne) Sekcji I Międzynarodowej Asocjacji Geodezyjnej utworzona została podkomisja EUREF. 3. Komisja ta, we współpracy z VII Grupą roboczą CERCO, podjęła się zadania stworzenia jednolitego geodezyjnego układu odniesienia dla Europy za pomocą pomiarów GPS. (CERCO to grupa robocza Komitetu Europejskich Służb Geodezyjnych (Comité Europén de Responsables de la Cartographie Officielle) obecna nazwa EuroGeographics) 4. W tym samym czasie działała także równolegle podkomisja UELN (Unified European Levelling Network) pracująca nad wspólnym europejskim układem wysokościowym, bazującym na tradycyjnych pomiarach niwelacyjnych. Później niektóre z wymienionych tu organizacji przeorganizowano, ale podkomisja EUREF pozostała. 14/46

15 EUREF zajmuje się definicją, realizacją i utrzymaniem Europejskiego Układu Odniesienia, czyli geodezyjną infrastrukturą dla geo-pozycjonowania, do którego zalicza się: pozycjonowanie trójwymiarowe dla danego momentu czasowego, badania geodynamiczne, nawigacja precyzyjna, geo-informacja, w ścisłej współpracy z innymi Komisjami IAG i konsorcjum EuroGeographics czyli organizacją skupiającą narodowe służby geodezyjnokartograficzne NMA (National Mapping Agencies) w Europie. 15/46

16 Do najważniejszych zadań EUREF należą: założenie i utrzymanie (konserwację) europejskiego naziemnego systemu odniesienia ETRS89 (European Terrestrial Reference System) założenie i utrzymanie europejskiego systemu odniesienia wysokości EVRS (European Vertical Reference System przy pomocy europejskiej sieci stacji obserwacyjnych EUREF Permanent Network (EPN), pokrywających kontynent europejski. Sieć tych stacji to obserwatoria wyposażone w najwyższej dokładności odbiorniki GPS/GLONASS rejestrujące ewentualne zmiany współrzędnych opisanego układu odniesienia 16/46

17 Z inicjatywy EUREF pierwszą, dużą kampanię obserwacyjną obejmującą Europę Zachodnią wykonano w 1989 roku. Pozwoliło to zdefiniować nowy układ odniesienia i stworzyć podstawy do dalszego rozwoju tego układu, zwanego od tej pory EUREF. Przyjęto koncepcję układu związanego z płytą tektoniczną, którego stabilność może być naruszana tylko przez deformacje samej płyty 17/46

18 Florence, May 1990 Resolution No. 1 The IAG Subcommission for the European Reference Frame recognising the availability of the International Terrestrial Reference System (ITRS) which has been established by the International Earth Rotation Service (IERS) which is accepted worldwide and which uses SLR, LLR and VLBI observations and noting that in such a system station positions in Europe have a common motion of the order of one centimetre per year recommends that the system to be adopted by EUREF will be coincident with ITRS at the Epoch and fixed to the stable part of the Eurasian Plate and will be known as European Terrestrial Reference System 89 (ETRS 89) and accepts that this geocentric system will coincide with the World Geodetic System 84 (WGS 84) at the one metre level and that, for most applications, the coordinates will have no time variation....system przyjęty przez EUREF będzie pokrywać się z systemem ITRS na epokę 1989 i będzie umocowany do stabilnej części płyty euroazjatyckiej i będzie nazwany Europejskim Naziemnym Systemem Odniesienia (European Terrestrial Reference System) 89 - ETRS 89. Będzie on się pokrywał z systemem WGS-84 z dokładnością do 1 m, zaś współrzędne nie będą miały zmian czasowych" 18/46

19 Do EuroGeographics (dawniej CERCO) należy obecnie 50 narodowych służb geod.-kart. i katastralnych w Europie. Polskę reprezentuje GUGiK. Zadania EuroGeographics to opracowania dotyczące infrastruktury danych geoprzestrzennych 19/46

20 Kampania EUREF- POL punktów Kampania obserwacyjna, przeprowadzona przez Zakład Geodezji Planetarnej Centrum Badan Kosmicznych PAN przy istotnym wsparciu ze strony Instytutu Geodezji Stosowanej (IfAG) we Frankfurcie nad Menem 20/46

21 21/46

22 Warsaw, 8-11 June 1994 Resolution No. 1 The IAG Subcommission for the European Reference Frame recognizing that in October/November 1991 the EUREF-CS/H 91 campaign was observed in July 1992 the EUREF-POL 92 campaign was observed in May 1993 the EUREF-D/NL 93 campaign was observed and all the results were submitted to the EUREF Technical Working Group where they were accepted as class B standard (about 1 cm at the epoch of observation) endorses these results as improvements and extensions to EUREF-89. Tłumaczenie: Warszawa, 8-11 czerwca 1994 roku, Rezolucja nr 1: Podkomisja IAG dla Europejskiego Układu Odniesienia przyznaje, że w lipcu 1992 roku kampania EUREF-POL 92 była obserwowana i jej wyniki zostały przedstawione Technicznej Grupie Roboczej EUREF gdzie zostały zaakceptowane do standardu klasy B dokładności (co oznacza około 1 cm w epoce obserwacji) i aprobuje te rezultaty jako polepszenie i rozszerzenie EUREF-89 22/46

23 Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 8 sierpnia 2000 roku w sprawie państwowego systemu odniesień przestrzennych (Zał.) geodezyjny układ odniesienia, układ wysokości, w którym wyznacza sie wysokości punktów względem przyjętego poziomu powierzchni odniesienia, stosowany w pracach geodezyjnych i kartograficznych, układ współrzędnych płaskich prostokątnych, oznaczony symbolem 2000, stosowany w pracach geodezyjnych i kartograficznych, związanych z wykonywaniem mapy zasadniczej, układ współrzędnych płaskich prostokątnych, oznaczony symbolem 1992, stosowany w mapach urzędowych o skali mapy 1: i skalach mniejszych, 23/46

24 GEODEZYJNY UKŁAD ODNIESIENIA Geodezyjny układ odniesienia, zwany dalej "EUREF-89", jest rozszerzeniem europejskiego układu odniesienia ETRF na obszar Polski, w wyniku kampanii pomiarowej EUREF-POL 92, której rezultaty zostały zatwierdzone przez Podkomisję dla Europejskiego Układu Odniesienia (EUREF) Międzynarodowej Asocjacji Geodezji w 1994 r. W EUREF-89 stosuje się Geodezyjny System Odniesienia 1980 (GRS 80), przyjęty na XVII Zgromadzeniu Generalnym Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki (MUGG) w Canberze, w grudniu 1979 r. 24/46

25 Przejście na nowy geodezyjny układ odniesienia EUREF Założenie w 1992 roku sieci 11-tu punktów zerowego rzędu EUREF-POL, która otrzymała akceptację Podkomisji EUREF w 1994 roku, jako sieci spełniającej określone przez Komisję standardy dokładności 2. Następujące po tym dogęszczenie tej siecią 348 punktów POLREF 25/46

26 26/46

27 Systemy i ukady odniesienia w Polsce W układzie EUREF-89 mamy już, poza założonymi sieciami: EUREF-POL i jej dogęszczeniem POLREF ( punktów), wyrównaną ponownie sieć klasy I, wyznaczoną metodami klasycznymi (nie satelitarnymi). Zakończono też całkowicie prace nad wyznaczeniem współrzędnych punktów osnowy szczegółowej II klasy, która podobnie jak klasyczna osnowa podstawowa, została ponownie wyrównana w skali całego kraju, łącznie z obszarem GOP i ROW - ten obszar wymagał osobnego potraktowania 27/46

28 Wszystkie dane geodezyjne są zgromadzone w centralnym banku osnów podstawowych. Bank ten gromadzi też osnowę szczegółową II klasy. Na dzień dzisiejszy (październik 2008) mamy wszystkie punkty osnowy poziomej I i II klasy wyrównane w nowym państwowym układzie geodezyjnym: w klasie I: 372 punkty wyznaczone metodami satelitarnymi, przy użyciu GPS-u, punktów, wyznaczonych metodami klasycznymi (triangulacja SAG, SW, PP) w klasie II: punktów wyznaczone metodami satelitarnymi punktów wyznaczonych metodami klasycznymi 28/46

29 Systemy i ukady odniesienia w Polsce 1. Realizacja systemu wysokości Propozycję połączenia istniejącej sieci EUREF, regionalnych sieci niwelacyjnych Europy (części zachodniej UPLN i środkowo-wschodniej UELN) oraz sieci mareografów w jedną sieć przedstawiono podczas sympozjum w Helsinkach w 1995 roku Elementem wiążącym wymienione sieci była międzynarodowa kampania GPS o akronimie EUVN, która zawierała odpowiednio rozmieszczone punkty w trzech wymienionych sieciach. Zakładano, że opracowanie wyników kampanii umożliwi zdefiniowanie Europejskiego Systemu Odniesień Wysokości. Te założenia w znacznej części zostały spełnione i w rezultacie kampanii pomiarowej w maju 1997 roku projekt został zrealizowany. 29/46

30 O skali przedsięwzięcia świadczy fakt, że w okresie od 21 do 29 maja 1997 roku obserwowano 196 punktów w 32 krajach. Sieć ta utworzona została przez istniejące punkty EUREF, repery niwelacji precyzyjnej i mareografy. Na obszarze Polski zaobserwowano 10 punktów. 30/46

31 W rezolucji nr 3 z Tromso, dziękując narodowym agencjom kartograficznym za udział i dostarczenie danych Podkomisja EUREF sugeruje wyniki EUVN stosować do przyszłych wyznaczeń geoidy i do tego celu zaleca dogęścić sieć EUVN. Te logiczne następstwo założenia sieci EUVN było dla nas na tyle oczywiste, że GUGiK wcześniej w 2001 roku zlecił wykonanie zagęszczenia tej sieci, zakładając sieć 52 punktów dogęszczenia EUVN i już w 2002 roku było możliwe opracowanie modelu geoidy (nazwany geoidą niwelacyjną 2001) na podstawie wszystkich dotychczas otrzymanych wyników z kilku sieci (EUREF-POL, POLREF, WSSG, SAGET, EUVN). 31/46

32 32/46

33 Równocześnie z tymi pracami, rozpoczęto w 1999 roku pomiary niwelacji precyzyjnej I klasy w ramach IV kampanii pomiarowej, zakończonej w 2002 I kampania pomiarowa II kampania pomiarowa III kampania pomiarowa /46

34 34/46

35 Systemy i kłady odniesienia w Polsce 1. Stworzone zostały warunki do przejścia na nowy Europejski System Odniesień Wysokości EVRF2000, odniesiony do poziomu morza w Amsterdamie, zgodnie z rezolucja nr 5 z Tromso. 2. Decyzja taka spowodowałaby zmiany wysokości w kraju o wielkość około 15 cm. 3. Wrócilibyśmy do układu wysokości, jaki mieliśmy w okresie międzywojennym - wtedy to obowiązywał układ wysokości Amsterdam, odniesiony do reperu w Ratuszu w Toruniu. 4. Decyzje takie są bardzo trudne i często niezbyt uzasadnione, zwłaszcza z uwagi na koszty takiego przedsięwzięcia. 35/46

36 Nadal więc aktualny jest zapis w rozporządzeniu o systemie odniesień przestrzennych: UKŁAD WYSOKOŚCI Układ wysokości tworzą wartości geopotencjalne podzielone przez przeciętne wartości przyspieszenia normalnego siły ciężkości, zwane dalej "wysokościami normalnymi", odniesione do średniego poziomu Morza Bałtyckiego w Zatoce Fińskiej, wyznaczonego dla mareografu w Kronsztadzie koło Sankt Petersburga (Federacja Rosyjska). Wysokości normalne określa się z pomiarów geodezyjnych nawiązanych do punktów podstawowej osnowy geodezyjnej kraju. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 8 sierpnia 2000 roku w sprawie państwowego systemu odniesień przestrzennych 36/46

37 Systemy i układy odnesienia w Polsce Systemy współrzędnych płaskich prostokątnych UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH PŁASKICH PROSTOKĄTNYCH "2000 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH PŁASKICH PROSTOKĄTNYCH "1992 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH PŁASKICH PROSTOKĄTNYCH " do 2009 r 37/46

38 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH PŁASKICH PROSTOKĄTNYCH "2000" Układ współrzędnych płaskich prostokątnych "2000" jest utworzony na podstawie matematycznie jednoznacznego przyporządkowania punktów powierzchni Ziemi odpowiednim punktom na płaszczyźnie według teorii odwzorowania kartograficznego Gaussa-Krügera. 38/46

39 Układ współrzędnych płaskich prostokątnych "2000" Obszar kraju dzieli się na cztery pasy południkowe o szerokości 3 długości geograficznej, każdy i o południkach osiowych: 15, 18, 21 i 24 długości geograficznej wschodniej, ponumerowane odpowiednio numerami: 5, 6, 7 i 8. Współczynnik zmiany skali w południku osiowym każdego pasa południkowego równa się Punkt przecięcia się obrazu równika z obrazem południka osiowego otrzymuje współrzędną x = 0, a punkty leżące na południku osiowym współrzędną y = m. W celu jednoznacznego określenia położenia punktu przed współrzędną y podaje się numer pasa południkowego, co dla przykładu punktów leżących na południku osiowym oznacza: m przy południku Lo = m przy południku Lo = m przy południku Lo = m przy południku Lo = /46

40 Dla celów praktycznych strefy granice stref układu 2000 przebiegają granicami powiatów 40/46

41 UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH PŁASKICH PROSTOKĄTNYCH "1992" 1. Układ współrzędnych płaskich prostokątnych "1992" jest utworzony na podstawie matematycznie jednoznacznego przyporządkowania punktów powierzchni Ziemi odpowiednim punktom na płaszczyźnie według teorii odwzorowania kartograficznego Gaussa-Krügera. 2. Układ "1992" określają następujące parametry: a) południk osiowy L = 19 długości geograficznej wschodniej, b) pas południkowy o szerokości obejmującej cały obszar kraju, c) współczynnik zmiany skali w południku osiowym, d) punkt przecięcia się obrazu równika z obrazem południka osiowego otrzymuje współrzędną x = m, a punkty leżące na południku osiowym współrzędną y = m. 41/46

42 42/46

43 Nowelizacja rozporządzenia z 2000 roku W związku ze zbudowaniem na obszarze Polski wielofunkcyjnego systemu precyzyjnego pozycjonowania ASG-EUPOS oraz z założeniem, że stacje referencyjne tego systemu będą punktami na których będzie oparty geodezyjny system odniesienia w przyszłości oraz z potrzebą uporządkowania przepisów związanych z przeniesieniem i utrzymaniem w Polsce geodezyjnego systemu odniesienia oraz układu wysokościowego a także określenia przypadków kiedy występuje konieczność ich ponownego zdefiniowania Główny Urząd Geodezji przygotował nowelizacje rozporządzenia z 2000 roku w sprawie państwowego systemu odniesień przestrzennych 43/46

44 Proponowane zmiany obejmują: Umożliwienie stosowania innych systemów odniesienia jeżeli są one przyjęte w pracach geodezyjnych i kartograficznych wykonywanych w ramach umów międzynarodowych. Przyjęcie proponowanej zmiany usunie niejednoznaczność przepisów w odniesieniu do materiałów kartograficznych wykonywanych przez Straż Graniczną, Urzędy Morskie i Polska Agencje Żeglugi Powietrznej, które winny odpowiadać międzynarodowym standardom. Dopuszczenie stosowania układu współrzędnych płaskich prostokątnych UTM jako układu równoważnego przy opracowaniu map w skali 1: i mniejszych co umożliwi wykorzystywanie dla celów gospodarczych map opracowanych przez Sztab Generalny WP; Uszczegółowienie przepisów dotyczących przyjęcia na obszarze Polski geodezyjnego układu odniesienia oraz utrzymywania w aktualności (konserwacji) tego układu; 44/46

45 zmiany cd.: Dopuszczenie do stosowania modelu quasigeoidy 2001 co umożliwi wyznaczanie wysokości normalnych z użyciem satelitarnych technik pomiarowych; Uszczegółowienie przepisów przyjmowania układu współrzędnych 2000 dla jednostek administracyjnych szczebla powiatowego; Wprowadzenie definicji pojęć, które nie zostały wcześniej określone w ustawie Prawo geodezyjne i kartograficzne ani tez nie występują w obowiązujących normach technicznych (np. norma PNEN ISO 19111); Wprowadzenie terminologii i oznaczeń zgodnych z obowiązujacymi normami ISO. 45/46