Bezugspunkt der Stadt Chicago

Ein geodätisches Datum oder geodätisches System (auch: geodätisches Bezugssystem , geodätischer Bezugsrahmen oder terrestrischer Bezugsrahmen ) ist ein globales Bezugssystem zur eindeutigen Darstellung der Position von Orten auf der Erde mittels geodätischer Koordinaten ( und zugehöriger vertikaler Koordinaten ) oder geozentrischer Koordinaten . [ 1 ] Datums [ Anmerkung 1 ] sind für alle Technologien und Verfahren, die auf räumlicher Positionsbestimmung basieren, unerlässlich, darunter Geodäsie , Navigation , Vermessung , Geoinformationssysteme , Fernerkundung und Kartographie . Ein horizontales Datum dient zur Messung der horizontalen Position auf der Erdoberfläche in Längen- und Breitengraden oder einem anderen zugehörigen Koordinatensystem. Ein vertikales Datum dient zur Messung der Höhe oder Tiefe relativ zu einem Standardursprung, wie beispielsweise dem mittleren Meeresspiegel (MSL). Ein dreidimensionales Datum ermöglicht die einheitliche Darstellung sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Positionskomponenten. [ 2 ] Das Konzept kann auf andere Himmelskörper wie planetarische Datums verallgemeinert werden .

Seit der Einführung des globalen Positionierungssystems (GPS) hat das von ihm verwendete Ellipsoid und Bezugssystem WGS 84 in vielen Anwendungen die meisten anderen Bezugssysteme verdrängt. WGS  84 ist, anders als die meisten früheren Bezugssysteme, für den globalen Einsatz konzipiert. Vor GPS gab es keine präzise Methode, die Position eines Ortes zu messen, der weit von Referenzpunkten entfernt war, die zur Realisierung lokaler Bezugssysteme dienten, wie beispielsweise dem Nullmeridian der Sternwarte Greenwich für die Längenbestimmung, dem Äquator für die Breitenbestimmung oder der nächstgelegenen Küste für die Höhenbestimmung. Astronomische und chronologische Methoden weisen insbesondere über große Entfernungen eine begrenzte Präzision und Genauigkeit auf. Selbst GPS benötigt ein vordefiniertes Bezugssystem für seine Messungen, daher  fungiert WGS 84 im Wesentlichen als Bezugssystem, obwohl es sich in einigen Details von einem traditionellen horizontalen oder vertikalen Standardbezugssystem unterscheidet.

Eine Standard-Datumsspezifikation (horizontal, vertikal oder dreidimensional) besteht aus mehreren Teilen: einem Modell für die Form und die Abmessungen der Erde, wie z. B. einem Referenzellipsoid oder einem Geoid ; einem Ursprung , an dem das Ellipsoid/Geoid mit einem bekannten (oftmals markierten) Ort auf oder innerhalb der Erde (nicht notwendigerweise bei 0° Breite, 0° Länge) verbunden ist; und mehreren Kontrollpunkten oder Referenzpunkten, die vom Ursprung aus präzise vermessen und physisch markiert wurden. Die Koordinaten anderer Orte werden dann durch Vermessung vom nächstgelegenen Kontrollpunkt aus ermittelt . Da sich das Ellipsoid oder Geoid je nach Datum sowie dessen Ursprung und räumliche Ausrichtung unterscheiden, ist die Beziehung zwischen Koordinaten, die sich auf ein Datum beziehen, undefiniert und kann nur angenähert werden. Bei Verwendung lokaler Datums kann die Abweichung zwischen einem Punkt mit denselben horizontalen Koordinaten in zwei verschiedenen Datums Kilometer betragen, wenn der Punkt weit vom Ursprung eines oder beider Datums entfernt ist. Dieses Phänomen wird als Bezugsverschiebung oder, allgemeiner, als Bezugstransformation bezeichnet , da es neben der Verschiebung auch Rotation und Skalierung beinhalten kann.

Da die Erde ein unvollkommenes Ellipsoid ist, können lokale Bezugssysteme ein bestimmtes Gebiet genauer darstellen als WGS  84. OSGB36 beispielsweise ist eine bessere Annäherung an das Geoid der Britischen Inseln als das globale WGS-  84-Ellipsoid. [ 3 ] Da die Vorteile eines globalen Systems die höhere Genauigkeit jedoch oft überwiegen,  hat sich das globale WGS-84-Bezugssystem weit verbreitet. [ 4 ]

Geschichte

Die Große Trigonometrische Vermessung Indiens war eine der ersten Vermessungen, die umfassend genug war, um ein geodätisches Datum zu etablieren.

Die Kugelgestalt der Erde war den alten Griechen bekannt, die auch die Konzepte von Breitengrad und Längengrad sowie die ersten astronomischen Methoden zu deren Messung entwickelten. Diese Methoden, die von muslimischen und indischen Astronomen bewahrt und weiterentwickelt wurden, reichten für die weltweiten Erkundungen des 15. und 16. Jahrhunderts aus.

Die wissenschaftlichen Fortschritte der Aufklärung führten jedoch zur Erkenntnis von Messfehlern und zum Bedarf an höherer Präzision. Dies führte zu technologischen Innovationen wie dem Marinechronometer von John Harrison aus dem Jahr 1735 , aber auch zu einer Neubewertung der grundlegenden Annahmen über die Form der Erde selbst. Isaac Newton postulierte, dass die Erde aufgrund der Impulserhaltung abgeplattet (am Äquator breiter als die entsprechende Kugel) sein müsse, während die frühen Untersuchungen von Jacques Cassini (1720) ihn zu der Annahme veranlassten, die Erde sei gestreckt (am Äquator schmaler). Die nachfolgenden französischen geodätischen Missionen (1735–1739) nach Lappland und Peru bestätigten Newtons Annahme, entdeckten aber auch Unterschiede in der Schwerkraft, die schließlich zum Geoidmodell führten .

Eine zeitgenössische Entwicklung war die Nutzung trigonometrischer Vermessung zur präzisen Bestimmung von Entfernungen und Positionen über große Distanzen. Beginnend mit den Vermessungen von Jacques Cassini (1718) und der anglo-französischen Vermessung (1784–1790) erstreckten sich Ende des 18. Jahrhunderts Vermessungsnetze über Frankreich und Großbritannien . Ambitioniertere Projekte wie der Struve-Geodätenbogen durch Osteuropa (1816–1855) und die Große Trigonometrische Vermessung Indiens (1802–1871) dauerten deutlich länger, führten aber zu genaueren Schätzungen der Form des Erdellipsoids . Die erste Triangulation quer durch die Vereinigten Staaten wurde erst 1899 abgeschlossen.

Die US-amerikanische Vermessung führte 1927 zum Nordamerikanischen Datum  (horizontal, NAD 27) und 1929 zum Vertikalen Datum (NAVD 29), den ersten öffentlich zugänglichen Standardbezugssystemen. In den folgenden Jahrzehnten wurden nationale und regionale Bezugssysteme veröffentlicht. Verbesserte Messungen, unter anderem durch den Einsatz früher Satelliten , ermöglichten im späteren 20. Jahrhundert genauere Bezugssysteme wie NAD 83 in Nordamerika, ETRS 89 in Europa und GDA 94 in Australien. Zu dieser Zeit wurden auch erstmals globale Bezugssysteme für Satellitennavigationssysteme entwickelt , insbesondere das Weltgeodätische System (WGS  84), das im US-amerikanischen GPS verwendet wird , und das Internationale Terrestrische Referenzsystem (ITRF), das im europäischen Galileo- System zum Einsatz kommt.

Abmessungen

Horizontalbezug

Ein horizontales Bezugssystem ist ein Modell zur präzisen Positionsbestimmung auf der Erde und somit ein wesentlicher Bestandteil jedes räumlichen Bezugssystems oder jeder Kartenprojektion . Es verknüpft ein festgelegtes Referenzellipsoid – ein mathematisches Modell der Erdform – mit der physischen Erde. Das auf diesem Ellipsoid basierende geografische Koordinatensystem ermöglicht die Messung von Breiten- und Längengraden realer Orte. Regionale horizontale Bezugssysteme wie NAD 27 und NAD 83 nutzen hierfür üblicherweise eine Reihe von geodätischen Kontrollpunkten bekannter Lage. Globale Bezugssysteme wie WGS 84 und ITRF sind typischerweise an den Erdmittelpunkt gebunden und eignen sich daher zur Verfolgung von Satellitenbahnen und somit für Satellitennavigationssysteme .

Ein bestimmter Punkt kann je nach verwendetem Bezugssystem deutlich unterschiedliche Koordinaten aufweisen. Beispielsweise  können Koordinaten im NAD-83-System von denen im NAD-  27-System um mehrere hundert Meter abweichen. Weltweit existieren Hunderte lokaler Bezugssysteme, die sich üblicherweise auf einen geeigneten lokalen Referenzpunkt beziehen. Moderne Bezugssysteme, die auf immer genaueren Messungen der Erdform basieren, sind für die Abdeckung größerer Gebiete vorgesehen. Das WGS-84- Bezugssystem, das nahezu identisch mit dem in Nordamerika verwendeten NAD-83 -Bezugssystem und dem in Europa verwendeten ETRS-89- Bezugssystem ist, dient als gängiges Standardbezugssystem.

Vertikalbezug

Ein vertikales Bezugssystem ist eine Referenzfläche für vertikale Positionen , wie zum Beispiel die Höhen von Erdmerkmalen einschließlich Gelände , Bathymetrie , Wasserstand und von Menschenhand geschaffenen Bauwerken.

Eine ungefähre Definition des Meeresspiegels liefert das Datum WGS 84 , ein Ellipsoid , während eine genauere Definition das Erdgravitationsmodell 2008 (EGM2008) mit mindestens 2159 sphärischen Harmonischen darstellt . Für andere Gebiete oder Zeiträume wurden weitere Datums definiert; ED50 wurde 1950 für Europa festgelegt und weicht  je nach Region in Europa um einige hundert Meter von WGS 84 ab. Auf dem Mars gibt es keine Ozeane und somit auch keinen Meeresspiegel, dennoch wurden mindestens zwei marsianische Datums verwendet, um Orte dort zu lokalisieren.

Geodätische Koordinaten

Derselbe Punkt auf einem Sphäroid hat einen anderen Breitenwinkel, je nachdem, ob der Winkel von der Normalenlinie CP des Ellipsoids (Winkel α ) oder von der Linie OP vom Mittelpunkt (Winkel β ) aus gemessen wird. Die „ Abflachung“ des Sphäroids (orange) in der Abbildung ist größer als die der Erde; dadurch wird auch der entsprechende Unterschied zwischen geodätischer und geozentrischer Breite übertrieben dargestellt.

In geodätischen Koordinaten wird die Erdoberfläche durch ein Ellipsoid angenähert , und Orte nahe der Oberfläche werden durch geodätische Breite ( ), Länge ( ) und ellipsoidische Höhe ( ) beschrieben. [ Anmerkung 2 ]

Erdreferenzellipsoid

Definition und abgeleitete Parameter

Das Ellipsoid wird vollständig durch die große Halbachse und die Abplattung parametrisiert .

Parameter Symbol
Große Halbachse
Kehrwert der Abflachung

Daraus lassen sich die kleine Halbachse , die erste und die zweite Exzentrizität des Ellipsoids ableiten .

Parameter Wert
Halbachse
Erste Exzentrizität im Quadrat
Quadrat der zweiten Exzentrizität

Parameter für einige geodätische Systeme

Die beiden weltweit am häufigsten verwendeten Referenzellipsoide sind GRS  80 [ 5 ] und WGS  84 [ 6 ].

Eine umfassendere Liste geodätischer Systeme finden Sie hier .

Geodätisches Referenzsystem 1980 (GRS  80)

GRS  80 Parameter
Parameter Notation Wert
Große Halbachse 6 378 137  m
Kehrwert der Abflachung 298.257 222 101

Weltgeodätisches System 1984 (WGS  84)

Das Global Positioning System (GPS) verwendet das World Geodetic System 1984 (WGS  84), um die Position eines Punktes nahe der Erdoberfläche zu bestimmen.

WGS  84 definierende Parameter
Parameter Notation Wert
Große Halbachse 6 378 137 .0 m
Kehrwert der Abflachung 298.257 223 563
 Geometrische Konstanten nach WGS 84
Konstante Notation Wert
Halbachse 6 356 752 .3142 m
Erste Exzentrizität im Quadrat 6,694 379 990 14 × 10 −3
Quadrat der zweiten Exzentrizität 6,739 496 742 28 × 10 −3

Datumstransformation

Die Differenz der Koordinaten zwischen verschiedenen Bezugssystemen wird üblicherweise als Bezugsverschiebung bezeichnet . Die Bezugsverschiebung zwischen zwei bestimmten Bezugssystemen kann innerhalb eines Landes oder einer Region von Ort zu Ort variieren und zwischen null und mehreren hundert Metern (oder auf einigen abgelegenen Inseln sogar mehreren Kilometern) liegen. Nordpol , Südpol und Äquator befinden sich auf verschiedenen Bezugssystemen an unterschiedlichen Positionen, sodass der geografische Norden leicht abweicht. Verschiedene Bezugssysteme verwenden unterschiedliche Interpolationsverfahren für die genaue Form und Größe der Erde ( Referenzellipsoide ). Beispielsweise beträgt die Differenz zwischen den GPS-Koordinaten in Sydney, die in GDA (basierend auf dem globalen Standard WGS 84  ) und AGD (verwendet für die meisten lokalen Karten) konfiguriert sind, 200 Meter (700 Fuß). Dies ist ein inakzeptabel großer Fehler für einige Anwendungen, wie z. B. Vermessung oder die Lokalisierung von Tauchplätzen . [ 7 ]

Die Datumskonvertierung ist der Prozess der Umrechnung der Koordinaten eines Punktes von einem Bezugssystem in ein anderes. Da die Vermessungsnetze, auf denen Bezugssysteme traditionell basierten, unregelmäßig sind und die Fehler in frühen Vermessungen nicht gleichmäßig verteilt sind, kann die Datumskonvertierung nicht mithilfe einer einfachen parametrischen Funktion durchgeführt werden. Beispielsweise erfolgt die Konvertierung von NAD 27 zu NAD 83 mithilfe von NADCON (später verbessert zu HARN), einem Raster, das Nordamerika abdeckt. Der Wert jeder Zelle entspricht dabei der durchschnittlichen Ausgleichsdistanz für das jeweilige Gebiet in Breiten- und Längengrad. Häufig geht eine Datumskonvertierung mit einer Änderung der Kartenprojektion einher .

Diskussion und Beispiele

Ein geodätisches Bezugssystem ist eine bekannte und konstante Fläche, die zur Beschreibung der Lage unbekannter Punkte auf der Erde dient. Da Bezugssysteme unterschiedliche Radien und Mittelpunkte aufweisen können, können die Koordinaten eines bestimmten Punktes auf der Erde je nach verwendetem Bezugssystem erheblich variieren. Weltweit existieren Hunderte von lokal entwickelten Bezugssystemen, die sich üblicherweise auf einen geeigneten lokalen Bezugspunkt beziehen. Moderne Bezugssysteme, die auf immer genaueren Messungen der Erdform basieren, decken größere Gebiete ab. Die in Nordamerika am häufigsten verwendeten Bezugssysteme sind NAD  27, NAD  83 und WGS 84 .

Das Nordamerikanische Datum von 1927 (NAD  27) ist das horizontale Bezugssystem der Vereinigten Staaten, das durch einen Ort und einen Azimut auf dem Clarke-Sphäroid von 1866 mit dem Ursprung in Meades Ranch (Kansas) definiert wurde . Die geoidale Höhe in Meades Ranch wurde auf null gesetzt, da nicht genügend Gravitationsdaten vorlagen, die jedoch benötigt wurden, um Oberflächenmessungen auf das Bezugssystem zu beziehen. Geodätische Positionen im Nordamerikanischen Datum von 1927 wurden aus den Koordinaten und dem Azimut in Meades Ranch durch eine Neuausrichtung der Triangulation des gesamten Netzes abgeleitet, wobei Laplace-Azimute eingeführt und die Bowie-Methode angewendet wurde. [ 8 ] NAD  27 ist ein lokales Bezugssystem für Nordamerika.

Das Nordamerikanische Datum von 1983 (NAD 83) ist das horizontale Kontrolldatum für die Vereinigten Staaten, Kanada, Mexiko und Mittelamerika. Es basiert auf einem geozentrischen Ursprung und dem Geodätischen Referenzsystem von 1980 (GRS  80). Dieses als NAD  83 bezeichnete Datum beruht auf der Justierung von 250.000 Punkten, darunter 600 Satelliten-Doppler-Stationen, die das System auf einen geozentrischen Ursprung festlegen. NAD  83 kann als lokales Referenzsystem betrachtet werden.

WGS  84 ist das Weltgeodätische System von 1984. Es dient dem US-Verteidigungsministerium (DoD) als Bezugssystem und wurde von der National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) (ehemals Defense Mapping Agency, dann National Imagery and Mapping Agency) definiert.  Das DoD nutzt WGS 84 für alle seine Kartierungs-, Vermessungs- und Navigationsaufgaben, einschließlich der GPS- Ephemeriden (sowohl Broadcast- als auch Präzisionsbahnen). WGS  84 wurde im Januar 1987 mithilfe von Doppler-Satellitenvermessungstechniken definiert. Ab dem 23. Januar 1987 diente es als Bezugssystem für die GPS-Ephemeriden (Bahnen). Am 2. Januar 1994 um 00:00 Uhr GMT  wurde die Genauigkeit von WGS 84 mithilfe von GPS-Messungen verbessert. Die offizielle Bezeichnung lautete daraufhin WGS  84 (G730), da das Aktualisierungsdatum mit dem Beginn der GPS-Woche 730 zusammenfiel. Es wurde am 28. Juni 1994 zum Referenzsystem für übertragene Umlaufbahnen. Am 30. September 1996 um 00:00 Uhr GMT (Beginn der GPS-Woche 873)  wurde WGS 84 erneut definiert und stärker an das Referenzsystem ITRF 94 des International Earth Rotation Service (IERS) angeglichen . Es wurde formell als WGS 84 (G873) bezeichnet. WGS 84 (G873) wurde am 29. Januar 1997 als Referenzsystem für übertragene Umlaufbahnen eingeführt. [ 9 ] Eine weitere Aktualisierung führte zu WGS 84 (G1674).    

Das WGS-  84-Datum, das innerhalb von zwei Metern vom  in Nordamerika verwendeten NAD-83-Datum liegt, ist das einzige heute gültige weltweite Koordinatenreferenzsystem. WGS  84 ist das Standarddatum für Koordinaten, die in GPS-Geräten für den privaten und gewerblichen Gebrauch gespeichert werden.

GPS-Nutzer werden darauf hingewiesen, dass sie stets das Datum der verwendeten Karten überprüfen müssen. Um Kartenkoordinaten korrekt einzugeben, anzuzeigen und zu speichern, muss das Kartendatum im entsprechenden Feld des GPS-Geräts eingetragen werden.

Beispiele

Beispiele für Kartenbezugssysteme sind:

Plattenbewegung

Die tektonischen Platten der Erde bewegen sich relativ zueinander in unterschiedliche Richtungen mit Geschwindigkeiten von etwa 50 bis 100 mm pro Jahr. [ 24 ] Daher bewegen sich Orte auf verschiedenen Platten relativ zueinander. Beispielsweise vergrößert sich der Längenunterschied zwischen einem Punkt am Äquator in Uganda (auf der Afrikanischen Platte ) und einem Punkt am Äquator in Ecuador (auf der Südamerikanischen Platte ) um etwa 0,0014 Bogensekunden pro Jahr. Diese tektonischen Bewegungen beeinflussen auch die Breitengrade.

Wird ein globales Bezugssystem (wie WGS 84 ) verwendet, ändern sich die Koordinaten eines Ortes an der Oberfläche in der Regel von Jahr zu Jahr. Die meisten Kartierungen, beispielsweise innerhalb eines einzelnen Landes, erstrecken sich nicht über mehrere Kontinentalplatten. Um Koordinatenänderungen in diesem Fall zu minimieren, kann ein anderes Bezugssystem verwendet werden, dessen Koordinaten an die jeweilige Platte gebunden sind. Beispiele für solche Bezugssysteme sind NAD 83 für Nordamerika und ETRS 89 für Europa.

Siehe auch

Fußnoten

  1. ^ In diesem Fall lautet der Plural nicht „Daten“.
  2. ^ Zur Rechts-/Linkshänderreihenfolge der Koordinaten, d. h.oder, siehe Sphärisches Koordinatensystem#Konventionen .

Referenzen

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  2. ^ „VDatum von NOAA/NOS: Ein Tutorial zu Datumsangaben“ . VDatum 4.7 der NOAA/NOS . 14.03.2014 . Abgerufen am 11.08.2024 .
  3. ^ „Geoid – Hilfe“ . ArcGIS for Desktop . Archiviert vom Original am 2. Februar 2017. Abgerufen am 23. Januar 2017 .
  4. ^ „Datums – Hilfe“ . ArcGIS for Desktop . Archiviert vom Original am 2. Februar 2017. Abgerufen am 23. Januar 2017 .
  5. ^ „Technisches Handbuch zum geozentrischen Bezugssystem Australiens“ (PDF) . Zwischenstaatlicher Ausschuss für Vermessung und Kartierung . 2. Dezember 2014. Archiviert vom Original (PDF) am 20. März 2018. Abgerufen am 20. Februar 2017 .
  6. ^ „NGA: DoD World Geodetic System 1984“ . Archiviert vom Original am 04.07.2017 . Abgerufen am 01.03.2007 .
  7. ^ McFadyen. „GPS – Eine Erklärung der Funktionsweise“ . Michael McFadyens Tauch-Website . Archiviert vom Original am 19.08.2006.
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  9. ^ „Häufig gestellte Fragen“ . National Geodetic Survey . Archiviert vom Original am 19.10.2011.
  10. ^ Craven, Alex. „GDA94: Häufig gestellte Fragen“ . Geoproject Solutions . Archiviert vom Original am 15.08.2016.
  11. ^ „日本測地系2011(JGD2011)とは? – 空間情報クラブ“ . club.informatix.co.jp . 20.08.2015. Archiviert vom Original am 20.08.2016.
  12. ^ „座標変換ソフトウェア TKY2JGD|国土地理院“ . www.gsi.go.jp . Archiviert vom Original am 05.11.2017.
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  20. ^ „Archivierte Kopie“ (PDF) . Archiviert (PDF) vom Original am 26.01.2017 . Abgerufen am 19.08.2016 .{{cite web}}: CS1 Wartung: Archivierte Kopie als Titel ( Link )
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Weiterführende Literatur

  1. Soffel, Michael; Langhans, Ralf (20.06.2012). „Terrestrisches Referenzsystem“. Raum-Zeit-Referenzsysteme . Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-642-30226-8_8 . ISBN 978-3-642-30225-1ISSN  0941-7834 .​
  2. Babcock, Alice K.; Wilkins, George A. (1988) Die Erdrotation und Bezugssysteme für Geodäsie und Geodynamik. Springer ISBN 9789027726582
  3. Liste geodätischer Parameter für viele Systeme der Universität von Colorado
  4. Gaposchkin, EM und Kołaczek, Barbara (1981) Referenzkoordinatensysteme für die Erddynamik Taylor & Francis ISBN 9789027712608
  5. Kaplan, Understanding GPS: principles and applications , 1 ed. Norwood, MA 02062, USA: Artech House, Inc, 1996.
  6. GPS-Notizen
  7. P. Misra und P. Enge, Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance . Lincoln, Massachusetts: Ganga-Jamuna Press, 2001.
  8. Peter H. Dana: Geodätische Datumsübersicht – Umfangreiche technische Informationen und Diskussionen.
  9. Nationaler Geodätischer Dienst der USA