大地基准:NAD 27、NAD 83 和 WGS84

大地基准:NAD 27、NAD 83 和 WGS84

  • 最近更新2022年09月22日

水平参考基准

当您需要在 GIS 中准确输入经纬度坐标时,第一步是给它一个基准。大地基准唯一地用坐标定义了地球上的所有位置。

因为如果不参考它,你会在地球上的什么地方

因为地球是弯曲的,并且在 GIS 中我们处理平面地图投影,我们需要同时适应世界的弯曲和平面视图。在测量和大地测量中,我们用大地基准准确地定义了这些属性。

我们开始用球体或椭球体对地球进行建模。随着时间的推移,测量人员收集了大量的表面测量数据,以更可靠地估计椭球体。

当您将这些测量值结合起来时,我们就得到了一个大地基准基准以经纬度精确指定地球表面上的每个位置。例如,NAD27、NAD83 和 WGS84 是大地基准。

庞大的调查基准集合

测量基准纪念碑

为了创建大地基准,测量员在 1800 年代后期收集了大量的纪念碑位置。测量员在每个参考位置安装黄铜或铝盘。测量员使用三角测量等数学技术连接每个纪念碑位置。

从测量纪念碑的统一网络中,三角测量的结果是1927 年的北美基准面 (NAD 27)。之后,大地测量学家开发了更精确的 NAD 83,我们今天仍在使用它。NAD 27 和 NAD 83 为地球上的纬度和经度位置提供了参考框架。

Surveyors now rely almost exclusively on the Global Positioning System (GPS) to identify locations on the Earth and incorporate them into existing geodetic datums. For example, NAD27, NAD83, and WGS84 are the most common geodetic datums in North America.

1. North American Datum 1927 (NAD27)?

详细信息 Meades Ranch 三角测量站,1927 年北美基准的基本站
Meades Ranch Triangulation Station, a fundamental station for the North American Datum of 1927

NAD27 stands for the North American Datum of 1927. NAD27 is the adjustment of long-baseline surveys. Overall, it established a network of standardized horizontal positions in North America. Most historical USGS topographic maps and projects by the US Army Corps of Engineers used NAD27 as a reference system.

A horizontal datum provides a frame of reference as a basis for placing specific locations at specific points on the spheroid. Geodesists use a horizontal datum as the model to translate a spheroid/ellipsoid into locations on Earth with latitude and longitude lines.

Geodetic datums form the basis of coordinates of all horizontal positions on Earth. We reference all coordinates on Earth to a horizontal datum. The North American Datum of 1927 (NAD27) is one of the main three geodetic datums in North America.

Meade’s Ranch

NAD27 uses all horizontal geodetic surveys collected at this time using a least-square adjustment. This datum uses the Clarke Ellipsoid of 1866 with a fixed latitude and longitude at Meade’s Ranch, Kansas. (39°13’26.686″ north latitude, 98°32’30.506″ west longitude)

Surveyors chose Kansas as a common reference point because it was near the center of the contiguous United States. The latitudes and longitudes of every other point in North America were based on its direction, angle, and distance away from Meade’s Ranch. Surveyors could measure any point with a latitude and longitude away from this reference point based on the Clarke Ellipsoid of 1866.

Surveyors gathered approximately 26,000 stations in the United States and Canada. At each station, surveyors collected latitudes and longitude coordinates. NOAA’s National Geodetic Survey used these survey stations and triangulation to form the NAD27 datum.

随着时间的推移,车站的数量也在增加。例如,测量员对大约 250,000 个站点进行了基准测试。这组水平位置构成了 1983 年北美基准 (NAD83) 的基础。1983 年,测量员最终用NAD83 取代了 NAD27。

2. 北美基准 1983 (NAD83)?

1983年北美基准 (NAD83)是北美最新的基准。它使用参考椭球 GRS80 提供纬度和经度以及一些高度信息。像北美基准 1983 (NAD83) 这样的大地基准是加拿大和美国所有水平位置坐标的基础。

1983年北美基准面(NAD 83) 是统一的水平或几何基准面,是 NAD27 的后续基准,为加拿大和美国提供空间参考。

NAD83 通过使用来自地面和多普勒卫星数据的一组更密集的位置来纠正 NAD27 在距离上的一些失真。NAD83 是偏移约 2 米的地心基准(参考地球质量中心)。即使在今天,大地测量学家仍在不断改进水平大地测量基准。

gps精度和gps误差

3. WGS84:将全球椭球模型与 GPS 统一起来

直到全球定位系统(GPS)的主流使用,我们才开发出统一的全球椭球模型。GPS 卫星发射的无线电波可以实现跨大陆和海洋的极其精确的地球测量。由于计算能力和 GPS 技术的增强,测量员和大地测量学家创建了全球椭球模型。

这导致了全球椭球模型的发展,例如 WGS72、GRS80 和 WGS84(当前)。全球定位系统 (GPS) 参考世界大地测量系统 (WGS84)作为其坐标参考系统。

由于 GPS 提供的全局测量集,我们以前从未能够如此精确地估计椭球体。它由参考椭球体、标准坐标系、高度数据和大地水准面组成。与 NAD 83 类似,它使用地球的中心质量作为坐标原点。科学家们认为,误差小于中心质量 2 厘米。

EPSG4326是什么?答:EPSG4326只是使用EPSG识别WGS84的方法。这是空间参考列表

大地基准:NAD83 与 NAD27

NAD83 通过使用来自地面和多普勒卫星数据的一组更密集的位置来纠正 NAD27 在距离上的一些失真。大地测量学家使用大约 250,000 个站点开发了 NAD83 基准面。相比之下,NAD27 基准中仅使用了 26,000 个。

NAD83 质心

主要区别之一是 NAD83 使用以地球为中心的参考,而不是 NAD27 中的固定站。测量员将 al 坐标参考堪萨斯米德牧场(北纬 39°13’26.686″,西经 98°32’30.506″)作为 NAD27 基准。

国家大地测量局在很大程度上依赖于使用多普勒卫星来定位地球的质心。但是,NAD83 不是地心的,偏移量约为 2 米。

1983 年的北美基准基于参考椭球 GRS80,它在物理上大于 NAD27 的克拉克椭球。GRS80 参考椭球的半长轴为 6,378,137.0 米,半短轴为 6,356,752.3 米。相比之下,克拉克椭球的半长轴为 6,378,206.4 米,半短轴为 6,356,583.8 米。

椭球体的不同历史精度

地球是圆的吗? 地球在赤道比在两极凸出约 70,000 英尺。

自 19 世纪初以来,椭圆体的尺寸至少被计算了 20 次,但准确度大相径庭。

测量椭球的早期尝试使用了少量数据,并不能代表地球的真实形状。1880 年,克拉克椭球被用作三角测量计算的基础。

美国采用的第一个大地基准是基于克拉克椭球体,其起点位于堪萨斯州,称为米德斯牧场。

一个基准多版本和缩写

自 1986 年以来,大地测量学家对 NAD83 进行了多次更新。实际上,由于这些变化,NAD83 的版本不止一个。例如,自 1986 年最初的大地基准估计以来,美国国家大地测量局对 NAD83 基准进行了四次调整。

基准 描述
NAD83 (1986) 该版本旨在以地心为中心并使用 GRS80 椭球。
NAD83(1991,哈恩,HPGN) 高精度参考网络 (HARN) 和高精度大地测量网络从 1986 年到 1997 年重新设计了大地基准。
NAD83 (CORS96) 持续运行的参考站 (CORS) 由永久运行的全球定位系统 (GPS) 接收器组成。
NAD83(CSRS、CACS) 加拿大空间参考系统和带 GPS 处理的加拿大主动控制系统。
NAD83 (NSRS 2007, 2011) 使用基于 CORS 的 GNSS 的多年调整位置的国家空间参考系统和当前测量标准。
基准转换:NAD27 转换为 NAD83

基准转换的重要性

测量员(NOAA 照片库)
1929 年对阿拉斯加科迪亚克岛进行三角测量。

基准基准点的坐标在大地基准之间通常不同。例如,NAD27 基准中的纬度和经度位置与 NAD83 或 WGS84 中的相同基准不同。这种差异称为基准偏移

根据您在北美的位置,NAD27 和 NAD83 的水平精度可能相差几十米。NAD27 和 NAD83 之间的平均修正是平均向北 0.349 英寸和向东 1.822 英寸。

重要的是要注意物理位置没有改变。需要明确的是,大多数纪念碑都没有移动。发生基准变化是因为调查测量得到改善。此外,当它们数量更多且大地测量方法发生变化时,也会发生这种情况。随着时间的推移,这会产生更准确的大地基准。构成北美所有水平位置坐标基础的水平基准面得到改善。

由于地图是在历史上不同的大地基准中创建的,因此通常需要进行基准面转换。尤其是在使用历史数据时更是如此。例如,USGS 地形图通常使用 NAD27 基准面发布。处理 NAD83 数据时,您需要应用基准面转换。

我们什么时候需要基准转换?

基准转换
NAD27 和 NAD83 之间需要进行基准面转换以提高准确性。

坐标变换是从非投影坐标系到坐标系的转换。坐标变换是通过一系列数学方程完成的。

大地基准是投影的一个组成部分。我们将所有坐标都引用到一个基准。基准面用数学术语描述地球的形状。基准定义椭圆体的半径、反向展平、半长轴和半短轴。1983 年北美基准面 (NAD 83) 是美国水平或几何基准面。它提供纬度和经度以及一些高度信息。

不幸的是,NAD 83 并不是您会遇到的唯一基准。在当前基准之前,制图师使用不同的起点创建地图。即使在今天,人们仍在继续改变大地基准以使其更加准确。一个常见的问题是当不同的坐标位置存储在不同的参考系中时。在组合来自不同用户或时代的数据时,将所有信息转换为共同的大地基准非常重要。

投影坐标系基于地理坐标,而地理坐标又以基准面为参考。例如,国家平面坐标系可以参考 NAD83 或 NAD27 大地基准。

NAD27 基准与 NAD83 基准

NAD27 基准面基于1866 年的克拉克椭球:

半长轴 6,378,206.4 米
半短轴 6,356,583.8 米
逆展平 294.98

NAD83 基准面基于大地参考系 (GRS80) 椭球体

半长轴 6,378,137.0 米
半短轴 6,356,752.3 米
逆展平 298.26

当您将 NAD83 和 NAD27 地理坐标转换为投影的州平面坐标时,它是相同的投影方法。但是,由于大地基准不同,因此得到的投影坐标也会不同。在这种情况下,需要进行基准面转换。

对于坐标需要彼此一致的任何类型的工作,您必须使用相同的大地基准。如果您要标记财产或土地边界,或修建道路或规划沿海洪水情景,您必须了解并使用正确的大地基准。

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