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Sistemi di coordinate GNSS spiegati
Sommario
Quando è opportuno considerare i sistemi di coordinate e quando no?
Tu fai NON è necessario pensare ai sistemi di coordinate se il compito riguarda solo coordinate relative piace:
- Il robot si muove utilizzando coordinate relative, ad esempio spostandosi di 5 metri verso est.
- Il trattore deve attraversare un campo e mantenere una precisione centimetrica da un passaggio all'altro.
- Il drone deve semplicemente "tornare al punto di decollo".
- Confronto dei punti registrati dallo stesso ricevitore, senza collegamento alle mappe (verifica se un trattore è tornato nello stesso punto del campo).
sentirti DEVO preoccuparsi dei sistemi di coordinate se il compito implica confronto delle misurazioni GNSS con mappe di terze parti, GIS o documentazione ufficiale:
- Geodesia, catasto, rilevamento topografico: ad esempio, si misurano i confini di un terreno e si desidera confrontarli con una mappa catastale.
- Combinando i dati GNSS acquisiti con mappe preparate da terze parti o con le misurazioni effettuate dal vostro istituto con un altro kit.
- Condivisione dei dati di posizionamento con terze parti (come enti catastali o appaltatori), ad esempio quando si forniscono le coordinate di un luogo di scavo pianificato a un appaltatore che utilizzerà la propria apparecchiatura RTK per localizzare il punto esatto sul campo in base alla mappa fornita.
Se questo è il tuo caso, continua a leggere. Ora i sistemi di coordinate contano anche per te.
Spiegazione dei sistemi di coordinate
Uno dei motivi più comuni per dati errati sul campo sono sistemi di coordinate non corrispondenti—tra il tuo rover, base, o NTRIP INSTALLAZIONE.
Per evitare errori costosi, è importante capire come funzionano i sistemi di coordinate e come ogni componente della configurazione GNSS contribuisce alla posizione finale.
Datum
Quando si misura qualcosa, è sempre necessario un punto di partenza, o "zero". Se due persone non utilizzano lo stesso punto di partenza, le loro misurazioni non possono essere confrontate. Lo stesso vale per le posizioni sulla Terra.
Poiché la Terra non è una sfera perfetta, la geodesia utilizza un ellissoide come modello semplificato della Terra. datum definisce questo ellissoide, la sua posizione rispetto al centro della Terra e come vengono misurate latitudine, longitudine e altezza.
- I sistemi di riferimento globali coprono l'intero pianeta. e vengono utilizzati dai sistemi GPS/GNSS. Vengono aggiornati nel tempo man mano che le misurazioni migliorano. Tuttavia, i sistemi di riferimento globali sono ancorati al centro della Terra, quindi le coordinate cambiano lentamente con il movimento delle placche tettoniche (circa 10 cm all'anno). Un punto misurato oggi non avrà le stesse identiche coordinate tra 10 anni.
Esempi: WGS84, ITRF. - I sistemi di riferimento locali fissano le coordinate a una specifica placca tettonica, regione o paese. Tutto ciò che si trova su quella piastra si muove insieme, quindi le coordinate rimangono stabili nel tempo.
Esempi: GDA94 (Australia), NAD83 (Nord America), ETRS89 (Europa).
I riferimenti possono anche essere:
- statica: le coordinate non cambiano nel tempoSe l'attività tettonica è scarsa o assente, i movimenti della Terra nel corso degli anni sono trascurabili.
Esempi: ETRS89 utilizzato in Europa.
- Dinamico: le coordinate si aggiornano costantemente al variare della posizione della Terra.I sistemi di riferimento globali sono in genere dinamici e vengono aggiornati più volte all'anno perché i continenti si spostano l'uno rispetto all'altro.
Esempi: WGS84, ITRF, IGS.
- Semi-dinamico: aggiornamento delle coordinate dopo eventi di deformazione, come i terremoti, o ogni pochi anni. I datum locali regionali/nazionali nei paesi in cui c'è attività tettonica sono solitamente semi-dinamici.
Esempi: NAD83(2011) utilizzato negli Stati Uniti, GDA2020 utilizzato in Australia.
Epoche
Per i datum dinamici e semi-dinamici, è necessario anche è necessario conoscere la data/ora in cui è stata misurata la posizione, perché la posizione dipende dal tempo nonché X, Y, Z.
Ad esempio, il nome corretto dell'ultimo datum orizzontale utilizzato negli Stati Uniti è NAD83 (2011) Epoca 2010.00 o NAnno 83 d.C. (2011) Epoca 2025.00
Quando si combinano il datum (il "dove") e l'epoca (il "quando"), si ottiene ciò che la geodesia chiama il quadro di riferimentoSe confrontate le vostre misurazioni con una mappa o un set di dati esistente, assicuratevi sempre che utilizzino lo stesso sistema di riferimento (datum ed epoca); in caso contrario, le posizioni potrebbero non corrispondere correttamente.
Proiezioni
Una proiezione è un metodo matematico per disegnare la Terra curva su una mappa piatta (2D). Ciò è necessario perché la latitudine/longitudine non sono convenienti per distanze, angoli o CAD lavoro.
Mentre il sistema di coordinate geografiche raccoglie informazioni su ellissoide, geoide e datum, indicando dove si trova qualcosa nello spazio 3D, il sistema di coordinate proiettato contiene le informazioni sul sistema di coordinate più ulteriori dettagli come il modello matematico della proiezione.
Esempi di proiezioni cartografiche:
- UTM (Universal Transverse Mercator) è la proiezione più comune per GNSS, cartografia e rilevamento topografico. Ad esempio, la zona UTM 32N è utilizzata nell'Europa centrale.
- Mercato Web è la proiezione utilizzata da Google Maps, OpenStreetMap e altri servizi di mappe online.
Trasformazione dei dati
La stessa posizione sulla Terra può avere coordinate diverse a seconda del sistema di riferimento utilizzato:
- I ricevitori GNSS autonomi (senza correzioni RTK) forniscono la posizione nel datum globale WGS84/ITRF.
- I ricevitori RTK forniscono la posizione nel Datum in cui la stazione base / NTRIP Il servizio di correzione è stato calibrato.
Se il sistema di riferimento utilizzato dal ricevitore GNSS e quello di cui si desidera determinare la posizione non coincidono, è necessaria una trasformazione di datum. È come convertire una valuta: 100 euro non sono uguali a 100 dollari, ma con il tasso di cambio corretto è possibile confrontarli. Una trasformazione di datum è semplicemente un'operazione matematica che trasla, ruota o scala le coordinate in sistemi di riferimento diversi in modo che riflettano lo stesso punto fisico.
I quattro esempi seguenti illustrano gli scenari reali più comuni in cui entrano in gioco le trasformazioni di riferimento. Ogni esempio evidenzia cosa accade, quale problema si presenta e come risolverlo.
Casi d'uso tipici:
Lavorare con mappe e dati GNSS che utilizzano diversi sistemi di riferimento
Immaginate di prepararvi per un lavoro sul campo e di caricare una mappa o un livello di sfondo (ad esempio, da Google Earth, OpenStreetMap o un'ortofoto ripresa da un drone) in un'app come SW Maps. Queste fonti utilizzano quasi sempre il datum globale WGS84, perché è lo standard per la maggior parte delle mappe globali online.
Nel frattempo, il tuo ricevitore RTK è collegato a un dispositivo locale NTRIP servizio di correzione come SAPOSche fornisce correzioni RTK in ETRS89, il sistema di riferimento geodetico ufficiale per la Germania e gran parte dell'Europa.
Sebbene WGS84 e ETRS89 siano molto simili, i loro punti di riferimento differiscono di circa 1-2 metri in Europa. Pertanto, quando si sovrappone una mappa WGS84 a misurazioni RTK basate su ETRS89, i punti potrebbero apparire leggermente spostati: ad esempio, i confini delle proprietà o i bordi dei campi non saranno perfettamente allineati.
Per risolvere questo problema, è necessario applicare una trasformazione di datum da ETRS89 a WGS84 (o viceversa, a seconda della configurazione del progetto) all'interno dell'app o del software GIS. Dopo aver applicato la trasformazione, i punti RTK misurati e la mappa di sfondo saranno allineati correttamente.
Perché Google Maps può mostrare piccoli scostamenti:
Google Maps rappresenta un caso particolare che merita di essere menzionato. È allineato al sistema di riferimento ITRF (molto simile al WGS84), ma le immagini stesse non sono perfettamente collegate a tale sistema di riferimento.
Ogni immagine satellitare di Google Maps viene elaborata e ortorettificata separatamente, il che introduce piccoli spostamenti residui nelle immagini. Per questo motivo, il livello visivo può risultare spostato di circa 10-20 cm, a volte anche di più a seconda dell'area.
Quindi, anche se la trasformazione tra ETRS89 e WGS84 è corretta, potresti comunque notare una piccola discrepanza tra i punti precisi del sensore RTK e l'immagine di sfondo di Google Maps.
Utilizzo dei servizi di correzione RTK locali
Quando si utilizza un ricevitore RTK collegato a una rete di correzione nazionale come SAPOSLe correzioni vengono trasmesse nel sistema di riferimento locale, che nel caso della Germania è l'ETRS89. Questo è il datum orizzontale ufficiale utilizzato in tutta Europa per la cartografia, il rilevamento topografico e le applicazioni GNSS.
Tuttavia, ETRS89 non è solo un datum, ma include anche un'epoca, che definisce il momento nel tempo a cui si riferiscono le coordinate. Poiché l'Europa si sposta leggermente rispetto al centro della Terra (circa 2.5 cm all'anno), le coordinate in ETRS89 sono fissate a uno specifico riferimento temporale: ETRS89 all'epoca 1989.0 (il momento in cui la posizione della placca europea è stata "congelata" rispetto al sistema globale WGS84/ITRF).
SAPOS trasmette correzioni in una realizzazione di ETRS89 all'epoca 1989.0, quindi: le tue posizioni RTK sono stabili e coerenti con le mappe nazionali, anche se la placca tettonica si è spostata da allora.
Non è necessario applicare alcuna trasformazione di epoca quando si confrontano i tuoi SAPOS-coordinate basate su dati catastali o topografici ufficiali tedeschi: sono tutte definite nello stesso sistema di riferimento.
Questo è uno dei principali vantaggi dell'utilizzo di un locale NTRIP Servizio: "traduce" i dati satellitari globali nel sistema di coordinate locale del tuo paese in tempo reale.
Utilizzando il servizio di correzione globale (Galileo HAS, PointPerfect, Skylark)
Immagina di progettare una strada in AutoCAD, utilizzando il sistema di coordinate ufficiale del tuo paese, ad esempio ETRS89 / UTM zona 33N in Austria.
Successivamente, il tuo team sul campo va a tracciare il progetto utilizzando un ricevitore GNSS collegato al Galileo HAS servizio che fornisce correzioni direttamente dai satelliti. Per la costruzione di strade, una precisione di 20-40 cm è sufficiente, quindi l'utilizzo di HAS è sensato.
Però, Galileo HAS trasmette correzioni nel datum globale WGS84 (World Geodetic System 1984). Sebbene WGS84 ed ETRS89 siano piuttosto simili, i loro punti di riferimento differiscono di circa 1-2 metri in Europa o anche di diversi metri altrove.
Ecco perché, per garantire che i dati del rilievo, i disegni di progetto e le mappe siano perfettamente allineati nello stesso sistema di riferimento, è necessario trasformare i dati di progetto dal datum locale ETRS89 al datum globale WGS84 prima di inviarli al ricevitore GNSS.
Utilizzo del servizio di correzione che invia messaggi RTCM 1021–1027
In alcuni paesi, i servizi di correzione nazionali (come APOS in Austria, Riferimento satellitare a Hong Kong) trasmette non solo i dati di correzione RTK standard ma anche i messaggi di trasformazione speciali RTCM 1021–1027.
Questi messaggi aggiuntivi contengono parametri di trasformazione delle coordinate locali: spostamenti matematici che convertono il sistema di riferimento globale nell'esatto sistema di coordinate regionale.
Questa “trasformazione locale” regola le posizioni GNSS calcolate in un sistema di riferimento globale (come ITRF nel caso di APOS) per adattarsi al sistema di coordinate nazionale ufficiale utilizzato per la cartografia e il rilevamento. Applica piccole traslazioni, rotazioni e correzioni di scala in modo che le tue coordinate si allineino perfettamente con i punti di controllo topografici locali.
È importante notare che questo non è equivalente all'utilizzo di un datum regionale come ETRS89. ETRS89 definisce un sistema di riferimento stabile per tutta l'Europa, ma ogni paese può avere la propria versione locale (ad esempio, ETRS89(AT) in Austria o ETRS89(PL) in Polonia). I messaggi RTCM 1021–1027 forniscono il passaggio aggiuntivo necessario per calibrare le coordinate da tale sistema di riferimento regionale alla griglia locale esatta del proprio paese.
Se il ricevitore RTK e il software di campo supportano questi messaggi, possono generare automaticamente le coordinate nella griglia locale corretta, senza che sia necessario inserire manualmente alcun parametro di datum o proiezione.
Altezze: ellissoide vs. livello del mare vs. ortometrica
Un'altra sfida comune nel posizionamento GNSS è capire che non tutte le "altezze" sono uguali. I ricevitori GNSS emettono naturalmente altezze ellissoidali, che sono riferiti all'ellissoide WGS84, non al livello del mare. Tuttavia, molte applicazioni di rilevamento si basano su altezze ortometriche, che si basano sul livello medio del mare. Questa discrepanza crea una sfida fondamentale: per confrontare o utilizzare i dati di elevazione in modo coerente, è necessario convertire tra sistemi di riferimento utilizzando un modello geoide.
Per una spiegazione più approfondita delle altezze ellissoidali, ortometriche e geoidi, consultare il La differenza tra altezza ellissoidale, ortometrica e geoide.
Se stai cercando un modello di geoide adatto al tuo paese, abbiamo raccolto per te i dati del geoide per diversi paesi: Modello geoide per il tuo paese per misurare l'altezza ortometrica.
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