Dátum geodésico - Geodetic datum

Un datum geodésico o sistema geodésico (también: datum de referencia geodésico , sistema de referencia geodésico o marco de referencia geodésico ) es un marco de referencia o referencia de datum global para medir con precisión ubicaciones en la Tierra u otros cuerpos planetarios. Los datos son cruciales para cualquier tecnología o técnica basada en la ubicación espacial, incluida la geodesia , la navegación , la topografía , los sistemas de información geográfica , la teledetección y la cartografía . Un datum horizontal se utiliza para medir una ubicación en la superficie de la Tierra , en latitud y longitud u otro sistema de coordenadas; un datum vertical se utiliza para medir la elevación o la profundidad en relación con un origen estándar, como el nivel medio del mar (MSL). Desde el surgimiento del sistema de posicionamiento global (GPS), el elipsoide y el datum WGS 84 que utiliza ha suplantado a la mayoría de los demás en muchas aplicaciones. El WGS 84 está diseñado para uso global, a diferencia de la mayoría de los datums anteriores.

Antes del GPS, no existía una forma precisa de medir la posición de una ubicación que estaba lejos de los puntos de referencia universales, como desde el primer meridiano en el Observatorio de Greenwich para la longitud, desde el Ecuador para la latitud o desde la costa más cercana para el nivel del mar. . Los métodos astronómicos y cronológicos tienen una precisión y exactitud limitadas, especialmente en distancias largas. Incluso el GPS requiere un marco predefinido en el que basar sus mediciones, por lo que WGS 84 funciona esencialmente como un datum, aunque es diferente en algunos detalles de un datum horizontal o vertical estándar tradicional.

Una especificación de referencia estándar (ya sea horizontal o vertical) consta de varias partes: un modelo para la forma y las dimensiones de la Tierra, como un elipsoide de referencia o un geoide ; un origen en el que el elipsoide / geoide está vinculado a una ubicación conocida (a menudo monumental) en o dentro de la Tierra (no necesariamente en 0 latitud 0 longitud); y múltiples puntos de control que han sido medidos con precisión desde el origen y monumentos. Luego, las coordenadas de otros lugares se miden desde el punto de control más cercano mediante topografía . Debido a que el elipsoide o geoide difiere entre datum, junto con sus orígenes y orientación en el espacio, la relación entre las coordenadas referidas a un datum y las coordenadas referidas a otro datum no está definida y solo puede ser aproximada. Usando datums locales, la disparidad en el suelo entre un punto que tiene las mismas coordenadas horizontales en dos datums diferentes podría alcanzar kilómetros si el punto está lejos del origen de uno o ambos datums. Este fenómeno se llama cambio de datum .

Debido a que la Tierra es un elipsoide imperfecto, los datums locales pueden dar una representación más precisa de un área de cobertura específica que la de WGS 84. OSGB36 , por ejemplo, es una mejor aproximación al geoide que cubre las Islas Británicas que el elipsoide global WGS 84. Sin embargo, como los beneficios de un sistema global superan la mayor precisión, el datum global WGS 84 se está adoptando cada vez más.

Punto de referencia de datos de la ciudad de Chicago

Historia

El Gran Estudio Trigonométrico de la India, uno de los primeros estudios lo suficientemente completos como para establecer un datum geodésico.

La naturaleza esférica de la Tierra fue conocida por los antiguos griegos, quienes también desarrollaron los conceptos de latitud y longitud, y los primeros métodos astronómicos para medirlos. Estos métodos, conservados y desarrollados por astrónomos musulmanes e indios, fueron suficientes para las exploraciones globales de los siglos XV y XVI.

Sin embargo, los avances científicos de la Era de las Luces trajeron consigo el reconocimiento de errores en estas mediciones y la demanda de una mayor precisión. Esto condujo a innovaciones tecnológicas como el cronómetro marino de 1735 de John Harrison , pero también a una reconsideración de las suposiciones subyacentes sobre la forma de la Tierra misma. Isaac Newton postuló que la conservación del impulso debería hacer que la Tierra fuera achatada (más ancha en el ecuador), mientras que los primeros estudios de Jacques Cassini (1720) lo llevaron a creer que la Tierra era alargada (más ancha en los polos). Las posteriores misiones geodésicas francesas (1735-1739) a Laponia y Perú corroboraron a Newton, pero también descubrieron variaciones en la gravedad que eventualmente conducirían al modelo geoide .

Un desarrollo contemporáneo fue el uso de la encuesta trigonométrica para medir con precisión la distancia y la ubicación a grandes distancias. Comenzando con los levantamientos de Jacques Cassini (1718) y el Anglo-French Survey (1784-1790) , a fines del siglo XVIII, las redes de control de levantamientos cubrían Francia y el Reino Unido . Empresas más ambiciosas como el Arco Geodésico de Struve en Europa del Este (1816-1855) y el Gran Estudio Trigonométrico de la India (1802-1871) tomaron mucho más tiempo, pero dieron como resultado estimaciones más precisas de la forma del elipsoide terrestre . La primera triangulación en los Estados Unidos no se completó hasta 1899.

El estudio de EE. UU. Dio como resultado el Datum norteamericano (horizontal) de 1927 (NAD27) y el Datum vertical de 1929 (NAVD29), los primeros datums estándar disponibles para uso público. A esto le siguió la publicación de datos nacionales y regionales durante las siguientes décadas. La mejora de las mediciones, incluido el uso de los primeros satélites , permitió datos más precisos a finales del siglo XX, como NAD83 en América del Norte, ETRS89 en Europa y GDA94 en Australia. En este momento, los datums globales también se desarrollaron por primera vez para su uso en sistemas de navegación por satélite , especialmente el Sistema Geodésico Mundial (WGS 84) utilizado en el sistema de posicionamiento global (GPS) de EE. UU ., Y el Sistema y Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF) utilizado en el Sistema europeo Galileo .

Dátum horizontal

El datum horizontal es el modelo utilizado para medir posiciones en la Tierra. Un punto específico puede tener coordenadas sustancialmente diferentes, dependiendo del datum utilizado para realizar la medición. Hay cientos de referencias horizontales locales en todo el mundo, generalmente referenciadas a algún punto de referencia local conveniente. Los datums contemporáneos, basados ​​en mediciones cada vez más precisas de la forma de la Tierra, están destinados a cubrir áreas más grandes. El datum WGS 84 , que es casi idéntico al datum NAD83 usado en Norteamérica y al datum ETRS89 usado en Europa, es un datum estándar común.

Dátum vertical

Un datum vertical es una superficie de referencia para posiciones verticales , como las elevaciones de las características de la Tierra, incluido el terreno , la batimetría , el nivel del agua y las estructuras artificiales.

Una definición aproximada del nivel del mar es el datum WGS 84 , un elipsoide , mientras que una definición más precisa es Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008), utilizando al menos 2159 armónicos esféricos . Se definen otros datums para otras áreas o en otros momentos; ED50 se definió en 1950 en Europa y se diferencia de WGS 84 en unos pocos cientos de metros dependiendo de dónde se mire en Europa. Marte no tiene océanos y, por lo tanto, no tiene nivel del mar, pero se han utilizado al menos dos datums marcianos para localizar lugares allí.

Coordenadas geodésicas

La misma posición en un esferoide tiene un ángulo de latitud diferente dependiendo de si el ángulo se mide desde el segmento de línea normal CP del elipsoide (ángulo α ) o el segmento de línea OP desde el centro (ángulo β ). Tenga en cuenta que la " planitud" del esferoide (naranja) en la imagen es mayor que la de la Tierra; como resultado, la diferencia correspondiente entre las latitudes "geodésicas" y "geocéntricas" también es exagerada.

En coordenadas geodésicas, la superficie de la Tierra se aproxima mediante un elipsoide , y las ubicaciones cercanas a la superficie se describen en términos de latitud ( ), longitud ( ) y altura ( ).

Latitud geodésica versus geocéntrica

La latitud geodésica y la latitud geocéntrica representan cantidades similares con diferentes definiciones. La latitud geodésica se define como el ángulo entre el plano ecuatorial y la superficie normal en un punto del elipsoide, mientras que la latitud geocéntrica se define como el ángulo entre el plano ecuatorial y una línea radial que conecta el centro del elipsoide con un punto en la superficie. (ver figura). Cuando se usa sin calificación, el término latitud se refiere a la latitud geodésica. Por ejemplo, la latitud utilizada en las coordenadas geográficas es la latitud geodésica. La notación estándar para la latitud geodésica es φ . No existe una notación estándar para la latitud geocéntrica; los ejemplos incluyen θ , ψ , φ ′ .

De manera similar, la altitud geodésica se define como la altura sobre la superficie del elipsoide, normal al elipsoide; mientras que la altitud geocéntrica se define como la altura sobre la superficie del elipsoide a lo largo de una línea hacia el centro del elipsoide (el radio). Cuando se usa sin calificación, el término altitud se refiere a la altitud geodésica; como se usa en aviación. La altitud geocéntrica se usa típicamente en mecánica orbital .

Elipsoide de referencia terrestre

Definición y parámetros derivados

El elipsoide está completamente parametrizado por el semieje mayor y el aplanamiento .

Parámetro Símbolo
Semieje mayor
Recíproco de aplanamiento

A partir de y es posible derivar el semieje menor , la primera excentricidad y la segunda excentricidad del elipsoide

Parámetro Valor
Eje semi-menor
Primera excentricidad al cuadrado
Segunda excentricidad al cuadrado

Parámetros para algunos sistemas geodésicos

Los dos elipsoides de referencia principales utilizados en todo el mundo son el GRS80 y el WGS 84.

Puede encontrar una lista más completa de sistemas geodésicos aquí .

Sistema de referencia geodésica 1980 (GRS80)

Parámetros GRS80
Parámetro Notación Valor
Semieje mayor 6 378 137  m
Recíproco de aplanamiento 298.257 222 101

Sistema geodésico mundial 1984 (WGS 84)

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) utiliza el Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS 84) para determinar la ubicación de un punto cerca de la superficie de la Tierra.

WGS 84 que define los parámetros
Parámetro Notación Valor
Semieje mayor 6 378 137 0,0 m
Recíproco de aplanamiento 298.257 223 563
Constantes geométricas derivadas de WGS 84
Constante Notación Valor
Eje semi-menor 6 356 752 0,3142 m
Primera excentricidad al cuadrado 6.694 379 990 14 × 10 -3
Segunda excentricidad al cuadrado 6.739 496 742 28 × 10 -3

Transformación de datum

La diferencia de coordenadas entre datums se conoce comúnmente como cambio de datum . El cambio de datum entre dos datums particulares puede variar de un lugar a otro dentro de un país o región, y puede oscilar entre cero y cientos de metros (o varios kilómetros para algunas islas remotas). El Polo Norte , el Polo Sur y el Ecuador estarán en diferentes posiciones en diferentes puntos de referencia, por lo que el Norte verdadero será ligeramente diferente. Los diferentes datums utilizan diferentes interpolaciones para la forma y el tamaño precisos de la Tierra ( elipsoides de referencia ). Por ejemplo, en Sydney hay una diferencia de 200 metros (700 pies) entre las coordenadas GPS configuradas en GDA (según el estándar global WGS 84) y AGD (utilizado para la mayoría de los mapas locales), que es un error inaceptablemente grande para algunas aplicaciones, como como topografía o ubicación del sitio para el buceo .

La conversión de datos es el proceso de convertir las coordenadas de un punto de un sistema de datos a otro. Debido a que las redes de levantamiento en las que se basaban tradicionalmente los datums son irregulares y el error en los primeros levantamientos no se distribuye de manera uniforme, la conversión de datum no se puede realizar utilizando una función paramétrica simple. Por ejemplo, la conversión de NAD27 a NAD83 se realiza utilizando NADCON (más tarde mejorado como HARN), una cuadrícula ráster que cubre América del Norte, siendo el valor de cada celda la distancia de ajuste promedio para esa área en latitud y longitud. La conversión de datos puede ir acompañada con frecuencia de un cambio en la proyección del mapa .

Discusión y ejemplos

Un dato de referencia geodésico es una superficie conocida y constante que se utiliza para describir la ubicación de puntos desconocidos en la Tierra. Dado que los datums de referencia pueden tener diferentes radios y diferentes puntos centrales, un punto específico de la Tierra puede tener coordenadas sustancialmente diferentes según el datum utilizado para realizar la medición. Hay cientos de datos de referencia desarrollados localmente en todo el mundo, generalmente referenciados a algún punto de referencia local conveniente. Los datums contemporáneos, basados ​​en mediciones cada vez más precisas de la forma de la Tierra, están destinados a cubrir áreas más grandes. Los Datums de referencia más comunes que se utilizan en Norteamérica son NAD27, NAD83 y WGS 84 .

El datum norteamericano de 1927 (NAD 27) es "el datum de control horizontal para los Estados Unidos que fue definido por una ubicación y acimut en el esferoide Clarke de 1866, con origen en (la estación de levantamiento) Meades Ranch (Kansas) ". ... Se asumió que la altura geoidal en Meades Ranch era cero, ya que no se disponía de suficientes datos de gravedad, y esto era necesario para relacionar las mediciones de la superficie con el datum. "Las posiciones geodésicas en el Datum de América del Norte de 1927 se derivaron de las (coordenadas de y un acimut en Meades Ranch) mediante un reajuste de la triangulación de toda la red en la que se introdujeron los acimuts de Laplace y se utilizó el método Bowie". ( http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum ) NAD27 es un sistema de referencia local que cubre América del Norte.

El Datum de América del Norte de 1983 (NAD 83) es "El datum de control horizontal para los Estados Unidos, Canadá, México y Centroamérica, basado en un origen geocéntrico y el Sistema de Referencia Geodésico 1980 ( GRS80 )". Este datum, designado como NAD 83 ... se basa en el ajuste de 250.000 puntos, incluidas 600 estaciones Doppler satelitales que limitan el sistema a un origen geocéntrico. "NAD83 puede considerarse un sistema de referencia local.

WGS 84 es el Sistema Geodésico Mundial de 1984. Es el marco de referencia utilizado por el Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) y está definido por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial (NGA) (antes Agencia de Mapeo de Defensa, luego National Imagery y Agencia cartográfica). El Departamento de Defensa utiliza WGS 84 para todas sus necesidades de cartografía, cartografía, topografía y navegación, incluidas sus órbitas "precisas" y de "transmisión" de GPS . WGS 84 se definió en enero de 1987 utilizando técnicas de levantamiento por satélite Doppler. Se utilizó como marco de referencia para la transmisión de efemérides GPS (órbitas) a partir del 23 de enero de 1987. A las 0000 GMT del 2 de enero de 1994, se actualizó la precisión del WGS 84 utilizando mediciones de GPS. El nombre formal luego se convirtió en WGS 84 (G730), ya que la fecha de actualización coincidió con el inicio de la Semana 730 del GPS. Se convirtió en el marco de referencia para las órbitas de transmisión el 28 de junio de 1994. A las 0000 GMT del 30 de septiembre de 1996 (el inicio del GPS Semana 873), WGS 84 se redefinió nuevamente y se alineó más estrechamente con el marco ITRF 94 del Servicio Internacional de Rotación de la Tierra (IERS) . Luego se llamó formalmente WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) se adoptó como marco de referencia para las órbitas de transmisión el 29 de enero de 1997. Otra actualización lo llevó a WGS 84 (G1674).

El datum WGS 84, a dos metros del datum NAD83 utilizado en Norteamérica, es el único sistema de referencia mundial que existe en la actualidad. WGS 84 es el datum estándar predeterminado para las coordenadas almacenadas en unidades GPS comerciales y recreativas.

Se advierte a los usuarios de GPS que siempre deben verificar el datum de los mapas que están usando. Para ingresar, visualizar y almacenar correctamente las coordenadas del mapa relacionadas con el mapa, el datum del mapa debe ingresarse en el campo de datum del mapa GPS.

Ejemplos de

Ejemplos de datums de mapa son:

Movimiento de la placa

Las placas tectónicas de la Tierra se mueven entre sí en diferentes direcciones a velocidades del orden de 50 a 100 mm (2,0 a 3,9 pulgadas) por año. Por lo tanto, las ubicaciones en diferentes placas están en movimiento entre sí. Por ejemplo, la diferencia longitudinal entre un punto en el ecuador en Uganda, en la placa africana , y un punto en el ecuador en Ecuador, en la placa de América del Sur , aumenta en aproximadamente 0,0014 segundos de arco por año. Estos movimientos tectónicos también afectan la latitud.

Si se utiliza un marco de referencia global (como WGS84 ), las coordenadas de un lugar en la superficie generalmente cambiarán de un año a otro. La mayoría de los mapas, como los de un solo país, no abarcan placas. Para minimizar los cambios de coordenadas en ese caso, se puede usar un marco de referencia diferente, uno cuyas coordenadas estén fijas a esa placa en particular. Ejemplos de estos marcos de referencia son " NAD83 " para Norteamérica y " ETRS89 " para Europa.

Ver también

Notas al pie

Referencias

Otras lecturas

  1. Lista de parámetros geodésicos para muchos sistemas de la Universidad de Colorado
  2. Gaposchkin, EM y Kołaczek, Barbara (1981) Sistemas de coordenadas de referencia para la dinámica de la tierra Taylor & Francis ISBN  9789027712608
  3. Kaplan, Comprensión del GPS: principios y aplicaciones , 1 ed. Norwood, MA 02062, Estados Unidos: Artech House, Inc, 1996.
  4. Notas de GPS
  5. P. Misra y P. Enge, Señales, mediciones y rendimiento del sistema de posicionamiento global . Lincoln, Massachusetts: Ganga-Jamuna Press, 2001.
  6. Peter H. Dana: Descripción general del dato geodésico - Gran cantidad de información técnica y discusión.
  7. Encuesta geodésica nacional de EE. UU.

enlaces externos