Outdated version of the documentation. Find the latest one here.

Системы координат

gentlelogo

Цель:

Ознакомиться с системами координат.

Основные понятия:

Система координат (CRS), проекция карты, перепроецирование «на лету», широта, долгота

Обзор

Проекция карты это попытка отобразить поверхности Земли или её часть на плоском листе бумаги или экране компьютера. Система координат через координаты определяет как двумерные спроецированные карты в ГИС связаны с участками земной поверхности. Решение об использовании той или иной проекции и системы координат зависит от охвата области, с которой необходимо работать, типа анализа, который необходимо выполнить, и, очень часто, от наличия данных.

Подробнее о проекциях

Традиционным способом отображения формы Земли являются глобусы. Однако использование этого подхода имеет свои недостатки. Хотя глобусы по большому счету сохраняют форму Земли и иллюстрируют пространственную конфигурацию объектов размером с континент, их весьма проблематично носить в кармане. Кроме того, они удобны в использовании исключительно при малых масштабах (например 1:100 миллионам).

Большинство тематических карт, используемых в ГИС-приложениях, имеют гораздо больший масштаб. Обычно, наборы ГИС-данных имеют масштаб 1:250 000 или больше, в зависимости от уровня детализации. Глобус таких размеров будет дорогим и его использование будет очень сложным. Поэтому картографы разработали набор приемов, называемых проекциями карты, предназначенный для отображения сферической поверности Земли в двумерном пространстве с достаточной точностью.

Если рассматривать Землю вблизи, её можно считать плоской. Однако, при взгляде из космоса видно, что её форма приближена к сферической. Карты, как будет показано в следующем разделе, отражают реальность. На них показаны не только объекты, но и их форма и пространственное расположение. Каждая проекция имеет достоинства и недостатки. Выбор наилучшей проекции для карты определяется её масштабом и назначением. Например, проекция может давать неприемлемые искажения в случае отображения всего африканского континента, но идеально подходить для создания крупномасштабной (подробной) карты страны. Свойства проекций также могут влиять на визуальные параметры карты. Так, некоторые проекции хорошо подходят для маленьких областей, другие хороши для отображения объектов, протяженных с запада на восток, третьи — для объектов вытянутых с севера на юг.

Три типа картографических проекций

Процесс создания проекций можно представить так: внутри прозрачного глобуса с непрозрачными объектами на нём находится источник света. Тень объектов отбрасывается на плоский лист бумаги. Разные способы проецирования могут быть получены путем оборачивания глобуса листов в цилиндр, конус или просто прикладыванием листа. Каждый из этих методов образует тип картографической проекции. Таким образом, существуют проекции на плоскость (азимутальные), цилиндрические и конические проекции (см. рисунок figure_projection_families).

Figure Projection Families 1:

../../_images/projection_families.png

Три типа картографических проекций: a) цилиндрические, b) конические, c) азимутальные.

В настоящее время процесс проецирования сферической Земли на бумагу выполняется с использованием математических преобразований и тригонометрии. Но в основе лежит все то же пропускание луча света через глобус.

Точность картографических проекций

Картографические проекции никогда не дают абсолютно точное отображение сферической поверхности. В результате проецирования, карта получает искажения углов, площадей и расстояний. Проекции могут давать как несколько типов искажений, так и достаточно приемлемый результат, в котором искажения углов, площадей и расстояний находятся в допустимых пределах. Примером таких компромиссных проекций могут служить тройная проекция Винкеля и проекция Робинсона, часто используемые для карт мира (см. рисунок figure_robinson_projection).

Figure Robinson Projection 1:

../../_images/robinson_projection.png

Проекция Робинсона дает приемлемые искажения площади, расстояний и углов.

В большинстве случаев сохранить все характеристики исходных объектов при проецировании невозможно. Это значит, что когда вам требуется выполнить анализ, необходимо подбирать такую проекцию, которая даст наилучшие характеристики для анализа. Например, если требуется измерить расстояния, необходимо выбрать проекцию, которая обеспечит точные расстояния.

Равноугольные проекции

Когда мы работаем с глобусом, основные направления компаса (север, восток, юг и запад) всегда расположены под углом в 90 градусов друг к другу. Другими словами восток всегда будет находиться на 90 градусов от севера. Проекция может сохранять угловые направления, и такая проекция называется конморфной или равноугольной.

Проекции, сохраняющие угловые величины, очень важны. Они широко используются для навигационных и метеорологических задач. Необходимо помнить, что сохранять правильные углы на карте большой площади трудно, поэтому применять такие проекции лучше к небольшим участкам поверхности. Конформные проекции искажают площади, а значит измерения площадей, выполненные в такой проекции будут неправильными. Чем больше площадь, тем менее точными будут измерения. Примерами проекций могут служить проекция Меркатора (см. рисунок figure_mercator_projection) и равноугольная коническая проекция Ламберта. Геоологическая служба США использует конформные проекции для многих своих топографических карт.

Figure Mercator Projection 1:

../../_images/mercator_projection.png

Проекция Меркатора используется в тех случаях, когда важна правильность углов и допустимы искажения площади.

Равнопромежуточные проекции

Если необходимо получить точные расстояния, то для карты выбирается проекция, хорошо передающая расстояния. Такие проекции, их называют равнопромежуточными, требуют, чтобы масштаб карты был неизменным. Карта будет равновеликой, когда она правильно передает расстояние от центра проекции до любой точки. Равнопромежуточные проекции обеспечивают точные расстояни от центра проекции или заданой линии. Такие проекции используются для сейсмических карт, а также для навигации. Хорошим примером равнопромежуточных проекций могут быть равнопромежуточная цилиндрическая Плате-Карре (см. рисунок figure_plate_caree_projection) и цилиндрическая равнопромежуточная. На эмблеме ООН испльзуется азимутальная равнопромежуточная проекция (см. рисунок figure_azimuthal_equidistant_projection).

Figure Plate Carree Projection 1:

../../_images/plate_carree_projection.png

Равнопромежуточная цилиндрическая проекция Плате-Карре используется, когда необходимо получить точные расстояния.

Figure Azimuthal Equidistant Projection 1:

../../_images/azimuthal_equidistant_projection.png

Логотип ООН использует азимутальную равнопромежуточную проекцию.

Равновеликие проекции

Если объекты на всей карте отображаются так, что сохраняются площади изображаемых объектов относительно соответствующих площадей на поверхности Земли, карта называется карта равных площадей. На практике, общегеографические и учебные карты, чаще всего используют равновеликие проекции. Как предполагается в названии, эти карты лучше всего использовать для вычисления площадей. Если, например, вам необходимо провести анализ свободных площадей в вашем городе, чтобы найти какой участок достаточно большой для постройки нового торгового центра, использование равновеликой проекции будет наилучшим выбором. С одной стороны, чем больше анализируемые площади, тем точнее будут измерения при использовании равновеликих проекций. С другой стороны, при отображении с помощью равновеликих проекций больших площадей, станут слишком велики искажения углов. Небольшие площадные объекты гораздо меньше подвержены угловым искажениям, при использовании равновеликих проекций. Alber’s equal area, Lambert’s equal area и Mollweide Equal Area Cylindrical projections (показана на рисунке figure_mollweide_equal_area_projection) часто используемые в ГИС равновеликие проекции.

Figure Mollweide Equal Area Projection 1:

../../_images/mollweide_equal_area_projection.png

Равновеликая псевдоцилиндрическая проекция Мольвейде, например, гарантирует, что площади всех отображаемых объектов на карте - пропорциональны площадям объектов на поверхности Земли.

Имейте в виду, что картографическая проекция - очень сложная тема. Существуют сотни различных проекций, каждая из которых пытается отобразить на плоском листе бумаги определённую часть поверхности Земли как можно достовернее. На самом деле, выбор используемой проекции - ваш выбор. Многие государства имеют наиболее часто используемые проекции и при обмене данными специалисты следуют государственному тренду.

Подробнее о системах координат

С помощью систем координат каждая точка на поверхности Земли может быть представлена набором из трёх чисел, называемых координатами. В целом, системы координат делятся на системы координат проекций (также называемых Декартовыми или прямоугольными системами координат) и географические системы координат.

Географические системы координат

Использование географических систем координат очень распространено. Для описания положения на поверхности Земли они используют градусы широты и долготы и, иногда, значение высоты. Наиболее популярная называется WGS 84.

Параллели расположены параллельно экватору и делят поверхность Земли на 180 отрезков через равные промежутки с Севера на Юг (или с Юга на Север). Начальной линией для параллелей является экватор и каждое полушарие разделено на 90 отрезков через 1 градус широты. В северном полушарии, широта измеряется начиная с экватора от 0, до 90 градусов на северном полюсе. В южном полушарии, широта измеряется начиная с экватора от 0, до 90 градусов на южном полюсе. Для простоты оцифровки карт, градусам широты в южном полушарии часто присваиваются отрицательные значения (от 0 до -90°). Где бы вы ни находились на поверхности Земли, расстояние между параллелями всегда одинаковое (111 км или 60 морских миль). См. figure_geographic_crs .

Figure Geographic CRS 1:

../../_images/geographic_crs.png

Географическая система координат с параллелями (линии, параллельные экватору) и меридианами с центральным меридианом в Гринвиче.

Меридианы, с другой стороны, не так хорошо соответствуют стандарту единообразия. Меридианы перпендикулярны экватору и сходятся в одной точке на полюсах. Начальная линия для меридианов (нулевой, начальный меридиан) проходит с Северного до Южного полюса через Гринвич, Англия. Последующие меридианы отсчитываются от 0 до 180 градусов на восток или запад от начального меридиана. Заметьте, что значения к западу от начального меридиана - отрицательные, для использования в картографических приложениях. См. рисунок figure_geographic_crs .

На экваторе, и только на экваторе, длина дуги в 1 градус меридиана и длина дуги в 1 градус параллели - равны. При движении по направлению к полюсам, расстояние между меридианами постоянно уменьшается, пока, точно на полюсе, все 360° долготы не сойдутся в одной точке - вы даже сможете пальцем прикоснуться к ней (хотя, вероятно, захотите одеть перчатки). Используя географическую систему координат, мы получаем сетку, делящую поверхность Земли на четырёхугольники площадью примерно 12363.365 кв. километров на экваторе, которые практически бесполезны для определения местоположения чего-либо в пределах этого многоугольника.

Чтобы быть по-настоящему полезной, сетка параллелей и меридианов на карте должна быть поделена на достаточно маленькие отрезки, которые можно было бы использовать (с достаточной степенью точности) для описания расположения точки на карте. Для достижения этой цели, градусы делятся на минуты (') и секунды ("). В одном градусе 60 минут, а в минуте 60 секунд (3600 секунд в градусе). Так, на экваторе, одна секунда параллели или меридиана равна 30.87624 метров.

Системы координат проекций (прямоугольные)

Двухмерные системы координат образуются двумя осями. Располагаясь под прямым углом друг к другу, оси образуют так называемую сетку XY (смотрите левую часть рисунка figure_projected_crs). Горизонтальная ось, как правило, обозначается X, а вертикальная ось , как правило, обозначается Y. В трёхмерных системах координат, добавляется ещё одна ось, обозначаемая Z. Она также перпендикулярна осям X и Y. Ось Z обозначает третье измерение в пространстве (смотрите правую часть рисунка figure_projected_crs). Каждую точку выраженную в сферических координатах, можно представить в виде координат X Y Z.

Figure Projected CRS 1:

../../_images/projected_crs.png

Двух и трёхмерные системы координат.

Системы координат проекций в южном полушарии (к югу от экватора) берут начало от экватора и начального меридиана. Это значит, что значения по оси Y увеличиваются к югу, а значения по оси X увеличиваются на Запад. В северном полушарии (к северу от экватора) началом служат также экватор и начальный меридиан. Однако, теперь значения по оси Y увеличиваются на Север, а значения по оси X увеличиваются на Восток. Далее будет описана часто используемая система координат, называемая Универсальная поперечная проекция Меркатора (Universal Transverse Mercator, UTM).

Универсальная поперечная проекция Меркатора (UTM)

Точкой отсчёта Универсальной поперечной проекции Меркатора (UTM) является экватор и начальный меридиан. В северном полушарии значения широты Y увеличиваются на север, а значения долготы X увеличиваются на восток. UTM является мировой картографической проекцией. Это значит, что она используется для всего Земного шара. Но, как описано выше в разделе ‘точность картографических проекций’, чем больше территория, тем больше величины искажений: направлений, расстояний и площадей. Для минимизации искажений, поверхность Земного шара разделена на 60 равных зон через 6 градусов долготы с запада на восток. Зоны UTM ** пронумерованы **от 1 до 60, начиная с линии перемены дат (зона 1 от 0 градусов западной долготы) и далее на восток - обратно к линии перемены дат (зона 60 до 180 градуса восточной долготы) как показано на рисунке figure_utm_zones.

Figure UTM Zones 1:

../../_images/utm_zones.png

Зоны Универсальной поперечной проекции Меркатора. Для Южной Африки используются зоны UTM: 33S, 34S, 35S, и 36S.

Как видно на рисунках figure_utm_zones и figure_utm_for_sa, Южная Африка покрыта четырьмя зонами UTM, что позволяет минимизировать искажения. Зоны называются UTM 33S, UTM 34S, UTM 35S и UTM 36S. S после номера зоны означает, что зоны расположены в южном полушарии - к югу от экватора.

Figure UTM for South Africa 1:

../../_images/utm_for_sa.png

Зоны UTM 33S, 34S, 35S и 36S с центральными меридианами используются для высокоточного проецирования территории Южной Африки. Красный крест показывает Зону интереса (Area of Interest - AOI).

Например, мы хотим получить координаты Точки интереса (AOI) отмеченной красным крестом на рисунке figure_utm_for_sa. Как видно на рисунке, точка находится внутри UTM зоны 35S. Это значит, что для минимизации искажений и получения точных данных измерений, мы должны использовать UTM зона 35S в качестве системы координат.

Местоположение в координатах UTM в южном полушарии должно обозначаться номером зоны (35) и значением широты (координаты y) и значением долготы (координаты x) в метрах. Координата y - расстояние от экватора до точки в метрах. Координата x - расстояние от центрального меридиана (долготы) используемой зоны UTM. Для UTM зоны 35S это 27 градусов восточной долготы, как показано на рисунке figure_utm_for_sa. Кроме того, поскольку точка расположена в южном полушарии и в системе координат UTM недопустимы отрицательные значения, необходимо добавлять так называемый сдвиг на север в 10,000,000 метров к координате y и сдвиг на восток в 500,000 метров к координате х. Это звучит сложно, поэтому рассмотрим пример того, как определить корректные координаты в UTM 35S для точки интереса.

Значение широты (координата y)

Рассматриваемое нами место находится в 3,550,000 метрах к югу от экватора, поэтому координата у получает отрицательное значение и составляет -3,550,000 метров. В соответствии с описанием системы координат UTM мы добавляем сдвиг на север в 10,000,000 метров. Это значит, что координата у составляет 6,450,000 метров (-3,550,000 м + 10,000,000 м).

Значение долготы (координата x)

Сначала необходимо определить центральный меридиан для UTM зоны 35S. Как видно на рисунке figure_utm_for_sa это 27 градусов восточной долготы. Искомая нами точка 85,000 метров на Запад от центрального меридиана. Также как и значение широты (у), координата х получает отрицательное значение -85,000 м. В соответствии с описанием системы координат UTM мы добавляем значение сдвиг на восток 500,000 м. Это означает, что значение х (долгота) наших координат равно 415,000 м (-85,000 м + 500,000 м). Наконец, мы добавляем номер зоны к значению долготы, чтобы получить корректное значение.

В результате, координаты нашей Точки интереса, в значениях системы координат UTM зона 35S будут выглядеть следующим образом: 35 415,000 м В / 6,450,000 м С. В некоторых ГИС, когда правильно указана проекция UTM зона 35S и единицы измерения в метрах, номер зоны можно убрать и записать пару координат в более простом виде 415,000 6,450,000.

Перепроецирование «на лету»

Как вы, вероятно, может себе представить, возможна ситуация когда данные, которые вы хотите использовать в ГИС, спроецированы в различных системах координат. Например, у вас может быть векторный слой границ Южной Африки в UTM 35S и другой векторный слой с информацией о замерах объема осадков, в географической системе координат WGS 84. В ГИС эти два векторных слоя отобразятся в совершенно разных местах окна карты, потому что они имеют разные проекции.

Для решения этой проблемы, многие ГИС предоставляют функцию, называемую перепроецирование «на лету». Это означает, что вы можете задать определённую проекцию в начале работы с ГИС и все слои, которые будут загружаться в дальнейшем - неважно, какие системы координат они используют, будут автоматически отображаться в определённой вами проекции. Эта функциональность позволяет вам совмещать слои в окне карты вашей ГИС, даже несмотря на различные системы координат данных.

Частые ошибки / о чем стоит помнить

Тема картографическая проекция очень сложная и даже профессионалы-географы, геодезисты зачастую испытывают сложности с правильным определением проекций карт и систем координат. Обычно, если работаете в ГИС, у вас уже есть спроецированные данные для начала работы. В большинстве случаев, эти данные будут перепроецироваться в определённую систему координат, поэтому не возникнет необходимости создавать новую систему координат или вручную перепроецировать данные в другую систему координат. Тем не менее, всегда полезно знать что такое проекция карты и система координат.

Что мы узнали?

Подведём итоги:

  • Проекция карты изображает поверхность Земли на двухмерном, плоском листе бумаги или экране компьютера.

  • Существую мировые проекции карт, но большинство проекций созданы и оптимизированы для проецирования малых площадей поверхности Земли.

  • Картографические проекции никогда абсолютно точно не передают сферическую поверхность Земли. Существуют искажения углов, длин и площадей. Невозможно одновременно корректно отображать все эти характеристики с помощью проекции карты.

  • Система координат (CRS) определяет, с помощью координат, каким образом двухмерная,спроецированная карта соотносится с реальной местностью на поверхности Земли.

  • Существуют два различных типа систем координат: Географические системы координат и Системы координат проекций.

  • Перепроецирование «на лету» - функция ГИС, которая позволяет совмещать слои, даже если они имеют различные системы координат.

Попробуйте сами!

Вот некоторые идеи для заданий:

  • Запустите QGIS и загрузите два слоя с данными по одной территории, но с разными проекциями; определите координаты одного и того же места в двух слоях. Вы увидите, что нельзя разместить два слоя один над другим. Затем задайте систему координат Географические системы координат/WGS 84 в диалоговом окне Параметры - Система координат и выберите пункт checkbox Включить перепроецирование при добавлении слоёв в другой системе координат. Снова загрузите два слоя с данными по одной территории и посмотрите, как работает перепроецирование «на лету».

  • В диалоговом окне Параметры - Система координат QGIS можно ознакомиться с другими системами координат. С функцией перепроецирования ‘на лету’ можно увидеть как выглядят данные в разных системах координат, просто меняя ее в настройках.

Стоит учесть

Если компьютер недоступен, три типа проекций можно рассмотреть с помощью глобуса и листа бумаги. А с помощью прозрачного листа и карты можно ознакомиться с двухмерными системами координат, осями Х и Y.

Дополнительная литература

Книги:

  • Chang, Kang-Tsung (2006). Introduction to Geographic Information Systems. 3rd Edition. McGraw Hill. ISBN: 0070658986
  • DeMers, Michael N. (2005). Fundamentals of Geographic Information Systems. 3rd Edition. Wiley. ISBN: 9814126195
  • Galati, Stephen R. (2006): Geographic Information Systems Demystified. Artech House Inc. ISBN: 158053533X

Веб-сайты:

Работа с проекциями в QGIS подробно описана в Руководстве пользователя QGIS.

Что дальше?

Следующий раздел посвящен созданию карт.