Układy współrzędnych. Gospodarka Przestrzenna. Józef Woźniak. Na podstawie wykładu Prof. R. Kadaja i Prof. E. Osady Na studium GIS

Transkrypt

1 Układy współrzędnych Gospodarka Przestrzenna Józef Woźniak Zakład Geodezji i Geoinformatyki Na podstawie wykładu Prof. R. Kadaja i Prof. E. Osady Na studium GIS Wrocław, 2012

2 Podział map Mapy geograficzne I. Mapy ogólnogeograficzne: topograficzne: wielkoskalowe, średnioi małoskalowe II. Mapy tematyczne: społeczno-gospodarcze, przyrodnicze Mapy tematyczne - społeczno gospodarcze: gospodarcze (zasadnicza, podstawowego zagospodarowania terenu, uzbrojenia terenu, komunikacji, gospodarki mieszkaniowej, przemysłu, rolnictwa, usług, swobody dyspozycyjnej terenu) społeczne (demograficzne, wybranych elementów socjalnobytowych, patologii społecznych) Mapy tematyczne - przyrodnicze: fizjologiczne (geologiczne, rzeźby terenu, hydrograficzne, klimatu, glebowe, szaty roślinnej, świata zwierzęcego) sozologiczne (zagrożenia środowiska, ochrony środowiska)

3 Fragment mapy zasadniczej

4 Mapy topograficzne 1: układ : układ 1992

5 Przykładowe rodzaje materiałów geodezyjnokartograficznych w WODGiK Mapa topograficzna w skali 1:10 000, układ 1992, aktualność: 2002 r. Mapa topograficzna w skali 1:10 000, układ 1992, aktualność: 1999 r. Zdjęcia lotnicze w skali 1:26 000, aktualność: maj 2001 r. Ortofotomapa w skali 1:10 000, układ 1992, aktualność: 2001/2002 r. Mapa sytuacyjno-wysokościowa w skali 1:10 000, układ 1942, aktualność: 1999/2000 r. Mapa użytkowania ziemi w skali 1:10 000, układ 1942, aktualność: 1999/2000 r. Ortofotomapa w skali 1:10 000, układ 1942, aktualność: 1999/2000 r. Numeryczny Model Terenu w skali 1:10 000, układ 1942, aktualność: 1999/2000 Osnowa pozioma i pionowa I i II klasy Zestawienie zbiorcze ewidencji gruntów stan na: r.

6 Układy współrzędnych W roku 2000, na mocy Rozporządzenia Rady Ministrów wprowadzono w Polsce nowy, państwowy system odniesień przestrzennych zgodny z zachodnioeuropejskim systemem ETRS (European Terrestrial Reference System), będącym częścią światowego systemu ITRS. Istotnym elementem systemu ITRS / ETRS jest geometryczno - fizyczny model Ziemi. W sensie fizycznym model opisuje ziemskie pole grawitacyjne, w tym kształt geoidy globalnej oraz ruch obrotowy Ziemi jako planety, natomiast część geometryczna (matematyczna) definiuje parametry geocentrycznej elipsoidy obrotowej, generalizującej kształt geoidy. Pierwotny model zwany skrótowo GRS-80 (Geodetic Reference System 80) uległ w latach późniejszych pewnej modyfikacji, przyjmując symboliczną nazwę WGS-84 (World Geodetic system 84). Ponieważ parametry geometryczne elipsoid dwóch modeli różnią się o nieistotną praktycznie wartość ok. 0.1 mm więc w praktyce nazwy elipsoid (tak jak nazwy modeli) przyjmuje się niekiedy wymiennie. Fizyczną realizacją układu współrzędnych (jego powiązania z fizyczną Ziemią) jest układ odniesienia.

7 Współrzędne geograficzne (φ,λ), geodezyjne (BL) i kartezjańskie centryczne (geocentryczne) ϕ - szerokość geograficzna λ- długość geograficzna B - szerokość geodezyjna L- długość geodezyjna

8 Współrzędne geodezyjne BLH i kartezjańskie centryczne Elipsoida (geocentryczne) odniesienia GRS-80 a = m b = m a b = B = deg L = deg

9 Współrzędne geodezyjne BLH i kartezjańskie centryczne (geocentryczne)

10 Gauss-Krüger Schemat geometryczny realizacji odwzorowania Gaussa-Krügera.

11 Siatki topograficzne

12 Arkusze Międzynarodowej Mapy Świata 1: Polska znajduje się na czterech arkuszach mapy świata 4 i 6 o godłach N-33, N-34, M-33 i M-34

13 Arkusze map topograficznych 1: , 1: , 1:

14 Arkusze map topograficznych 1:50 000, 1:25 000, 1:10 000

15 ROZMIESZCZENIE ARKUSZY MAPY ZASADNICZEJ W SKALACH 1:5 000, 1:2 000, 1:1 000, 1:500 NA ARKUSZU MAPY TOPOGRAFICZNEJ 1:10 000

16 Układy współrzędnych Obecnie zdefiniowano nowe państwowe układy współrzędnych (układy kartograficzne) zwane skrótowo: 1992 (dla map topograficznych) 2000 (dla map wielkoskalowych) Całkowite przejście z układu dotychczasowego 1965 związanego z elipsoidą KRASOWSKIEGO, na nowe układy odwzorowawcze miało nastąpić do roku Z tym związane są i będą problemy przeliczeń transformacji współrzędnych pomiędzy różnymi układami. W grupie układów źródłowych, obok 1965, problematyka transformacyjna będzie obejmować także układy lokalne zakładane dla większych miast, a także dawny układ 1942 i inne.

17 Stare i nowe układy współrzędnych Jednym z kryteriów wyboru odwzorowań dla map wielkoskalowych i topograficznych była wielkość maksymalnych zniekształceń liniowych, istotna zwłaszcza w zakresie map wielkoskalowych (mapy zasadniczej). Kompromis w tym względzie z jednej strony, a tradycja w wyborze rodzaju odwzorowania z drugiej strony, doprowadziły formalnie do zdefiniowania dwóch układów (systemów) kartograficznych opartych na odwzorowaniu Gaussa Krűgera: strefowy dla obszaru całej Polski, przeznaczony m.in. do opracowań kartograficznych w skalach 1: i mniejszych strefowy dla mapy zasadniczej (powrót do koncepcji dawnego układu 1942).

18 Układy współrzędnych układ 1942 Do połowy lat 60-tych obowiązywał w Polsce układ współrzędnych zwany krótko Układ ten powstał w oparciu o odwzorowanie Gaussa Krügera elipsoidy KRASOWSKIEGO, przy czym obejmował dwa podsystemy odwzorowawcze a) z podziałem na południkowe pasy 6, b) z podziałem na pasy 3

19 Układy współrzędnych układ 1942 Odwzorowanie w pasach południkowych o szerokości 6. W wyniku tego w obszarze Polski powstały dwie strefy odwzorowawcze: z południkami środkowym (osiowymi) 15 i 21, nazywamy je pomocniczo: 1942/15 (6) i 1942/21 (6). Odwzorowanie to miało zastosowanie dla map średnio - i małoskalowych (dla skal mniejszych od 1 : 5000). Zniekształcenia odwzorowawcze zmieniały się od 0 (na południku środkowym każdej strefy) do ok. 59 cm /km (na brzegach strefy) Odwzorowanie w pasach południkowych o szerokości 3. W wyniku tego w obszarze Polski powstały cztery strefy odwzorowawcze: z południkami środkowym 15, 18, 21, 24, oznaczamy je pomocniczo: 1942/15 (3), 1942/18 (3), 1942/21 (3), 1942/24 (3). Odwzorowanie to miało zastosowanie dla map wielkoskalowych (dla skal większych od 1:5000). Zniekształcenia odwzorowawcze na brzegach stref dochodziło do 15 cm/km.

20 Układy współrzędnych układ 1965 W połowie lat 60-tych w służbie cywilnej zaczęto wprowadzać nowy, 5-cio strefowy układ odwzorowawczy (oparty na tym samym systemie elipsoidalnym) zwany układem Kraj został podzielony na pięć stref, przy czym w strefach 1, 2, 3, 4 zastosowano tzw. odwzorowanie quasistereograficzne, natomiast w strefie 5 modyfikowane odwzorowanie Gaussa Krügera. Odwzorowanie quasi-stereograficzne, jako wiernokątne odwzorowanie płaszczyznowe powierzchni elipsoidy, podobnie jak odwzorowanie stereograficzne sfery (powierzchni kuli), lokalizujemy podając położenie tzw. punktu głównego jako punktu styczności płaszczyzny z powierzchnią elipsoidy. Przyjmując ponadto skalę podobieństwa odwzorowania w punkcie głównym definiujemy rozkład zniekształceń liniowych na płaszczyźnie odwzorowawczej. W strefach 1 4 układu 1965 przyjęto skalę w punkcie głównym mo = , co oznacza, że zniekształcenie odwzorowawcze w tym punkcie wynosi dokładnie 20 cm/km. Układ 1965 był przeznaczony głównie do tworzenia i eksploatacji mapy zasadniczej.

21 Układy współrzędnych układ 1965

22 Nowe układy współrzędnych Układ 1992 Jednostrefowe dla obszaru Polski odwzorowanie Gaussa Krügera z południkiem środkowym Lo = 19 i skalą podobieństwa mo = (ostatnie założenie ma na celu równomierny rozkład zniekształceń liniowych, od 70 cm/km na południku środkowym do ok. 90 cm/km w skrajnych, wschodnich obszarach Polski). Układ został nazwany skrótem Obecnie już stanowi podstawę wykonywania nowych map w skalach 1: i mniejszych. Ze względu na znaczne zniekształcenia liniowe nie został rekomendowany do wielkoskalowych opracowań kartograficznych.

23 Nowe układy współrzędnych układ 2000 Czterostrefowe odwzorowanie Gaussa Krügera elipsoidy GRS-80, w pasach 3 stopniowych zwane skrótowo układem W tym przypadku, koncepcja układu nawiązuje do dawnego układu Różnica polega jednak na odmienności przyjętych elipsoid odniesienia oraz na zastosowaniu dodatkowej skali podobieństwa (skali kurczenia na południku środkowym). W układzie 2000 zastosowano skalę mo = , która oznacza kompromisowe rozłożenie zniekształceń liniowych, od 7.3 cm/km na południku środkowym strefy do maksymalnie ok. 7 cm/km na brzegu strefy.

24 Nowe układy współrzędnych UTM Uniwersanlne poprzeczne odwzorowanie Mercatora UTM (ang. Universal Transverse Mercator projection) stosowane na świecie do celów nawigacyjnych i wojskowych. Jest to odwzorowanie Gaussa-Krügera w pasach 6, ze skalą na południku środkowym mo = (zniekształcenie na tym południku wynosi -40 cm/km). Przyjmuje się w zasadzie, że oryginalne odwzorowanie Gaussa-Krügera (wiernokątne walcowe poprzeczne odwzorowanie elipsoidy) nie zmienia skali południka środkowego (mo = 1). W przypadku przeciwnym używamy też nazwy modyfikowane odwzorowanie.... W krajach anglosaskich przyjmuje się zaś nazwę poprzeczne odwzorowanie Mercatora. Odwzorowanie UTM zostało wprowadzone pierwotnie na elipsoidzie HAYFORDA, obecnie zaś zarówno w zastosowaniach cywilnych jak też wojskowych obowiązuje elipsoida WGS-84.

25 Transformacje Transformacja metodą dostosowania (ortogonalna - Helmerta) Metody tej grupy stosuje się na niewielkich obszarach, gdy nie jest znany charakter odwzorowań. Do ich wykonania potrzeba jest kilku punktów łącznych (co najmniej 2), dla których znane są współrzędne w układzie pierwotnym i układzie wtórnym. Transformacje tego typu można geometrycznie zinterpretować w ten sposób, że zespół punktów układu pierwotnego zostaje skręcony o pewien kąt, a wszystkie długości zostają wydłużone lub skrócone w pewnym stałym stosunku.

26 Transformacje Transformacja afiniczna Transformacją afiniczną współrzędnych x, y układu pierwotnego na współrzędne x, y układu wtórnego określa się przekształcenie oparte na założeniu, że współrzędne jednego układu są ogólnymi funkcjami liniowymi współrzędnych drugiego układu: x = A0 + A1x + A2y y = B0 + B1x + B2y Transformacja afiniczna wymaga minimum trzech, nie leżących na jednej prostej, punktów łącznych. Sens jej stosowania dotyczy pozyskiwania danych z materiałów analogowych, jak mapy, zdjęcia itp. Związki liniowe pomiędzy dwoma układami pozwalają bowiem na uwzględnienie różnej zmiany skali w dwóch kierunkach, co pozwala np.wyeliminować liniowy skurcz materiałów kartograficznych.

27 Transformacje Transformacja biliniowa Model w którym współrzędna w nowym układzie wynika z zależności przedstawionej poniżej. Minimalna liczba potrzebnych punktów aby rozwiązać układ równań wynosi 4. Transformacja ma szczególne znaczenie ze względu na przekształcanie czworokąta w czworokąt co znakomicie nadaje się do transformacji fragmentami.

28 Systemy Pozycjonowania Satelitarnego

29 Globalny System Lokalizacji GPS Global Positioning System jest systemem umożliwiającym szybkie i precyzyjne wyznaczenie położenia dowolnego punktu na powierzchni Ziemi, w oparciu o sygnały od 31 satelitów na średnich orbitach.

30 Globalny System Lokalizacji GPS Korzystając z zasad triangulacji przestrzennej, dokonując pomiaru odległości do odbiornika do satelitów, oblicza się na podstawie zebranych przez odbiornik wyposażony w antenę sygnałów pochodzących od co najmniej trzech satelitów, położenie odbiornika względem środka Ziemi. Współcześnie dokładność nawigacyjna pomiarów GPS wynosi około 5 m. Przy zastosowaniu specjalnych technik pomiarowych (DGPS) pozwala na uzyskanie centymetrowych dokładności.

31 Globalny System Lokalizacji GPS Przykłady odbiorników GPS

32 Globalny System Lokalizacji GPS Pomiary stacjonarne Satelita NAVSTAR

33 Globalny System Lokalizacji GPS D Zasady pomiaru DGPS

34 Globalny System Lokalizacji GPS Pomiary z wykorzystaniem stacji referencyjnej