про карты, датумы, проекции

Вверх
GARMIN G12 за и против
eTrex за и против
про карты, датумы, проекции
как загрузить в Ozi сохраненные в eTrex треки
производители GPS оборудования

 Опять про карты, датумы, проекции!
Опус 32 (ре минор)
 У меня давно возникала мысль собрать в кучку свои сетевые изыскания по картам, датумам, проекциям, но как-то руки не доходили.
Поскольку у Морозова хорошо написано, как нужно настроить GPS и Ozi, но вскользь упоминается, почему это нужно делать так, а других источников, подобного уровня на эту тему нет, то зачастую возникает путаница, которая время от времени и выплескивается на форуме.
А ситуации бывают совершенно разные – кто-то пользует Palm, другие предпочитают Pocket PC и ноуты. Кто-то работает только со своими картами и привязывает по своим конкретным GPS-точкам, а другой берет чужие файлы и калибрует их по узлам координатной сетки.
И в этом многообразии возникают определенные нюансы, которые нужно учитывать, иначе из карт, датумов и проекций получается салат “Весна” с соответствующими результатами. Мне кажется, что я разобрался в этом, что и хочу предложить общему вниманию. Если найдете в моих рассуждениях ошибки и нелогичности, буду признателен
.
Карты, с которыми мы имеем дело, состоят из плана местности (топоcновы) и координатной системы, которая описывает местоположения объектов этого плана на земной поверхности.

1. План местности
Топоснова базируется на двух основополагающих принципах – прямоугольной системе координат и строгом соблюдении масштаба и пропорций объектов карты. По этим принципам строятся карты и на экваторе и на полюсе, и они ни коим образом не зависят ни от проекций, ни от датумов. Вопрос, который задавался как-то на форуме – в каком датуме построена карта, совершенно некорректный. В одном сантиметре карты 1:100000 будет ровно километр везде!
Карта в виде плана местности (без координатной сетки) может быть вполне самостоятельной. Каких то десять лет назад, когда у нас не было GPS, большинство из нас не интересовалось абсолютными значениями координат. Важно было только расстояние на карте и азимут.
Любой план или схема поверхности Земли , отвечающая приведенным выше условиям, будет годиться для привязки и работы с GPS, будь то, приведенный к плоскости аэрофотоснимок, Атлас автомобильных дорог или составленная вручную схема
.
2, Система координат.
Необходимость в ней возникает, когда нужно иметь возможность математически точно описать положение каждой точки на карте. Поэтому сначала появилась географическая система координат, но, поскольку форма Земли не идеальный эллипсоид, то появились геодезические системы координат- датумы. Есть международная геоцентрическая система WGS 84, которая пытается худо-бедно описать всю земную поверхность (как ей это удается можно увидеть на цветной диаграмме http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/datum/gif/geoid2.gif), есть национальные, например, наша Pulkovo 1942.
В чем суть датума? В разных местах Земли расстояние от центра до поверхности разное, а это приводит к тому, что на одной параллели, в разных местах, на одну угловую секунду придется разное линейное расстояние. Вот, чтобы как-то скомпенсировать эту погрешность на большей части национальной территории и вводят локальные датумы. Они базируются на своих референц эллипсоидах (не всегда геоцентрических), но принцип их одинаков – есть параллели и меридианы, поэтому координаты точек без проблем пересчитываются из одного датума в другой.
Здесь уже высказывались разные мнения – кто-то пользует WGS84, кто-то заявляет, что коль скоро карты российские, то и датум должен стоять Пулковкий. Во многих случаях это совершенно не важно.
Датум – это, грубо говоря, координатная сетка. Другой датум – это точно такая же координатная сетка, только смещенная определенным образом. Тот выигрыш, который дает национальный датум, по сравнению с всемирным, для уровня точности, который нам обеспечивают ширпотребовские GPS, значимости не имеет (тем более, если взглянуть на картинку по верхней ссылке, то наша страна в WGS выглядит неплохо). Нужно только пользоваться одной системой, а не крутить установки каждый раз, и отдавать себе отчет – в каком датуме будут координаты, если потребуется их использовать отдельно. Такая потребность возникает при обмене данными, например, используются чужие координатные точки или карты, когда для привязки карты будет использоваться нанесенная на нее координатная сетка. и т.д. В этих случаях необходимо отслеживать и приводить в соответствие датумы данных и карт. Правило здесь одно- все настройки Ozi, GPS (в случае использования протокола обмена NMEA) должны соответствовать выбранному датуту, координатная система всех внешних данных, которые будут наноситься на карту или использоваться для привязки (например, значения координат узлов сетки) также должны быть приведены (пересчитаны) в выбранный датум..

Датум, это просто система координат, в силу этого совершенно автономен и в таком виде (в разных вариантах) присутствует в каждом GPS приемнике.
Как система координат он очень важен для описания местоположения любой точки на поверхности Земли. Однако, как это ни странно звучит, можно всю жизнь пользоваться GPS и не знать, что такое датум. Объясняется этот парадокс очень просто – датумы зашиты в GPS и он пользуется ими независимо от наших карт, картографических программ и их установок. Это означает, что в том датуме, который в данный момент установлен в GPS, он определит координаты этой точки правильно.. Он помимо нашей воли “знает”, что на этой конкретной карте, на этой параллели цена одной секунды будет столько то метров, а , если взять немного севернее, то немного меньше.
Так вот, если карта привязывается по реальным точкам, для которых с помощью GPS определили их местоположение, то знать значения координат (т,е. Датум) вовсе не обязательно. Так, собственно поступают владельцы Палмовых, когда в Атласе калибруют свои карты простым подтягиванием маркера на объект привязки и, давая команду связать это место с координатами, передаваемыми в этом момент GPS’ом. . (Поэтому хвалить “интеллект” Атласа и Палма, собственно, не за что).
Практически то же самое делается и при привязке карты в Ozi, когда калибруют ее по своим реальным точкам. (То, что координаты вносятся при этом вручную не должно вводить в заблуждение. Просто GPS вас, как передаточное звено использует, не более того. Вся разница в том, что в Палме это делает связка, поскольку калибруется он по большей части в режиме Moving Map, а на большом PC это, как правило, делается в отсутствие связи со спутниками).
Кого не убедили приведенные выше соображения пусть для себя ответит на вопрос , почему можно сканировать карту с разрешением в 125 dpi, в 250 dpi и калибровать ее спокойно в Ozi, нигде не указывая, что масштаб основы изменился в два раза. Да потому, что привязывается она по реальным точкам, GPS ‘знает’ чему равна “цена секунды” в данном месте, а Ozi в соответствии с данными навигатора пересчитает масштаб. И испортить что-то в этой стройной цепочке можно только рассогласовав координатные системы GPS и Ozi. Поэтому тот, кто никогда не обращал внимания на датумы и, в силу этого, по умолчанию всегда работал в WGS84 может оказаться в лучшем положении, чем те, кто начинал приводить свои данные в соответствие, но делал это, в силу непонимания, некорректно. (исключительно из личного опыта :) )

У кого хватило терпения дочитать до этого момента, наверное, обратили внимание, что до сих пор ни слова не было сказано о “типе проекции”, Это произошло потому, что топоснова и датум рассматривались, как автономные и независимые категории. Но вот, как только возникает задача о их совмещении, появляется вопрос- каким образом состыковывать прямоугольную сетку системы координат первой со сходящимися меридианами второго.
Вот только на этом этапе появляется понятие “тип проекции”, которое, согласно Help’a Ozi, определяет способ переноса изображения сферической поверхности Земли на плоскость карты. В нашем случае “поверхность Земли” представляет собой совокупность точек, описываемых датумом, т.е. попросту говоря “тип проекции” определяет способ отображения датума на плоскости карты в виде координатной сетки. Вот, собственно то , что есть общего у датума и типа проекции и понятно, что первично.

3. Тип проекции .
Если вы никогда не будете определять координаты точки с помощью сетки, которую нанес на вашу карту Ozi, а будете для этих целей использовать GPS, то тип проекции вас может не волновать вообще. Почему? Да потому, что для определения координат GPS использует только данные, полученные со спутников и встроенный алгоритм вычисления датума. GPS в этом случае работает со сферической поверхностью и у него нет надобности проецировать ее на плоскость. Именно поэтому в GPS-приемниках нет опции определяющей тип проекции
Перенося эти данные непосредственно на карту (экран Палма) мы так же избавлены от проблем определения “типа проекции” (хотя очень хочется сказать- да это просто Палм такой умный :))_
Другое дело, когда мы работаем в Ozi с привязанными картами. На них только калибровочные точки определены в указанных выше условиях, а координаты других уже рассчитываются программно, исходя из датума, трансформированного на плоскость карты. Например, когда вы будете определять координаты точки с помощью курсора, считывая их значения в левом верхнем углу. В этом случае Ozi пользуется именно отрисованной координатной сеткой и, если тип проекции будет установлен неправильно, то значения координат точки будут сильно искажены. Я столкнулся с этим, когда пытался привязать карту в Палмовском Атласе по углам листа, координаты которых я брал таким методом с очень хорошо привязанной в Ozi карты – результат был плачевный, как я теперь понимаю, именно из-за неверной установки типа проекции. Перейдя на другой тип привязки –по реальным GPS-точкам, я избавился от необходимости определения типа проекции и получил хороший результат.

Вот собственно и все, что я имел честь Вам доложить. Я не останавливался на конкретных настройках и способах согласования датумов- об этом говорилось уже не раз. Они прекрасно описаны у Г. Морозова Просто попытался немного растащить эту кучу понятий в стороны, чтобы яснее были их функции и значимость, а значит и проще было сориентироваться в конкретной ситуации
Всем удачи. Владимир.
Давно не заходил в форум почитать, что занимает уважаемых участников. Да и как-то нужда отпала после того, как для себя проблему привязки карт решил. Сам еще как-то флейм затеял, все участники которого так или иначе остались при своем.
Но вот набрел на Опус 32 Владимира и хочется опять немного пободаться. Поскольку этот опус лежит на предыдущей странице конференции, позволю себе начать новый флейм.
Я отступлюсь от формы ответа на опус 32 попунктно, а просто изложу свое видение проблемы.
В первую очередь о проекции.
1. Бывают топографические планы крупного масштаба, по которым, к примеру, осуществляется спортивное ориентирование. Это просто план очень маленького кусочка местности, возможно, даже с привязкой по координатам. Но самая главная отличительная особенность такого плана - никто из таких кусочков не собирается сложить карту всей Земли. В таком случае самый простой способ получить такой план - это сделать аэросъемку местности, и доработать полученную фотографию.
2. Если мы собираемся рассматривать на карте весьма удаленные объекты, то необходимо все эти разрозненные кусочки научиться регулярно склеивать. И вот здесь определяется так любимая на картах Transverse-Mercator Projection. Суть этой проекции состоит в том, что долька глобуса между двумя меридианами проектируется на "горизонтальный цилиндр" и разматывается на плоскость. Общепринятым стандартом стало то, что угол между этими меридианами составляет 6 градусов. По крайней мере, так устроены все лежащие в Интернете карты России (точнее, те, что я видел). Итак, канонические номенклатурные листы имеют свою нумерацию (например, О-36). На таком листе (шириной в 6 градусов) искажения уже имеют место, особенно ближе к краям. Когда это один лист, то при его масштабе это не очень заметно. Кстати, именно на такой лист наносится прямоугольная сетка, которая встречается, скажем, в атласе Московской области. А на соседних листах (О36 и О37) стороны этой сетки уже не параллельны....
В Интернете скачал километровки центрального района. Они из себя предсталяют тот же лист (О-36), только разбитый на 144 части (12*12), из которых можно сложить большой лист. Ну и каждая из этих 144 частей немного развернута, чтобы север оказался наверху. Если взять лист по центральному меридиану, (например, О36-6), то в нем искажения будут минимальны. А вот на крайних листах гораздо больше... На центральном листе прямоугольная сетка параллельна меридианам, а на крайних уже идет заметно под углом... Вот такая карта получается не просто разрисовкой аэроснимков, а еще добавлением таких искажений, чтобы все листики легли на стол один к другому как родные..
Чтобы правильно откалибровать лист карты, например, в Ozi, необходимо в настройках проекции указать центральный меридиан зоны. Тогда эти искажения будут учтены в координатной сетке, которую нарисует Ozi. То, что надо ставить проекцию не Lat-Long, а ТМ, объясняется тем, что на нашей карте меридианы не параллельны, а сходятся. В проекции же Latitude-Longitude строится строго прямоугольная сетка. Размер искажений я когда-то считал: получилось около 60 метров на каждый из четырех углов стандартного листа ранее издававшейся двухкилометровки Подмосковье (которая на 12 листах). В принципе, это не очень уж и много, но зачем иметь еще и эту погрешность, если с ней очень просто побороться...

Теперь что касается датумов. Безо всякого занудства будем воспринимать их как данность: одна и та же точка в одном из них имеет такие координаты, в другом - другие. Вот передо мной лежит наша отечественная карта, я знаю, что ее система координат - Пулково. Я держу в руках GPS и хочу определить свое положение на карте (сеточку на карте сделал помельче, чтобы проще было определяться, где же я). Наверное, с этим я успешней справлюсь, если мой GPS будет показывать координаты в той же системе, что и моя сеточка, то есть Пулково. Оно, конечно, мелочи, каких-то 100 метров расхождения, но зачем, если можно и без них обойтись? Потом, про 60 метров при настройке проекции не забыли?
Что я теряю, используя всюду систему Пулково? Где у меня остается WGS84? А только при передаче данных из моего eTrex в режиме OffLine. Но ведь мой Ozi знает, что карта откалиброванна в Пулково, а данные всегда приходят в WGS84, и все успешно пересчитывает. А если буду все использовать в реальном времени, протокол NMEA (если не ошибаюсь) передает то, что я вижу на экране своего прибора, то есть Пулково, и кладет это без пересчета на карту с Пулково.

Подведу итоги.
1. Если я никогда не пользуюсь координатной сеткой (откалибровал карту по своим точкам, и смотрю, как относительно них ложится мой маршрут), то система координат не важна. Если я захочу поехать в незнакомое место, предварительно по карте проложив маршрут и закачав его в GPS, то все равно, какая система координат на GPS, лишь бы привязку в нужной системе координат осуществить.
2. Если я в пути пытаюсь по бумажной карте понять, где я нахожусь, то надо добиться, чтобы прибор и карта были в одной системе координат
3. Если я пользуюсь Ozi в реальном времени, то также система координат карты и прибора должны совпадать.
4. Если пользуетесь общепринятыми картами (те же номенклатурные листы) в Ozi, не поленитесь правильно установить проекцию.
5. И вообще, о пп 1-4 можно не забивать себе голову, говорить про точность наших карт и прочее, но зачем лишняя ошибка, если ее можно благополучно избежать?

Про пример Владимира, когда меняем проекцию, а точка из GPS на карте не сдвигается. Я тоже такое делал. Когда игрался с калибровкой карты, занес в GPS точку с координатами угла. Так вот, эта точка у меня сдвигалась! Тут есть некоторая тонкость. Если точки уже закачаны, то при изменении калибровки они, по-моему, не сдвигаются, то есть при вкачке привязались к точке на карте. Если пробная точка взята посередине карты, то в этом месте и так ошибки не будет: ошибки калибровки собираются по углам. Если все тот же лист киллометровки калибровали в проекции Lat-Long, то можно сразу заметить, что калибровочная точка имеет совсем не те географические координаты, что вы вводили...

Сам я пользовался eTrex'om и Ozi, за возможные некорректные обобщения прошу простить..

И не бывает такого, чтобы всюду на карте один сантиметр был строго равен одному (двум, трем,,,,) километрам. Если бы было так, то мы бы плоскую карту смогли составить, и без искажений :)))

С уважением Сергей.
 
 
Hosted by uCoz