Местная система координат линейного объекта

Эта страница опубликована в основном списке статей сайта
по адресу http://gis-lab.info/qa/local-cs-linear-object.html

Конструирование проекции для представления системы координат линейного объекта в ГИС

Введение

Система координат линейного объекта строится для обеспечения строительства или эксплуатации протяжённого инженерного сооружения. Целью при этом является минимизация искажений, присущих проекции, в полосе объекта.

Постановка задачи

Пусть ось сооружения задана положением двух крайних точек в глобальной системе координат (ГСК).

В местной системе (МСК) совместим начало координат с точкой в середине отрезка геодезической линии, соединяющей крайние точки. Ось OX направим вдоль оси сооружения. Потребуем, чтобы расстояние между крайними точками равнялось априори заданной величине L.

Требуется подобрать проекцию, подходящую для представления такой МСК в ГИС и в программах, используемых геодезистами.

О проекции

Выбор проекции однозначен. Это косая проекция Меркатора с такими значениями параметров, чтобы так называемая начальная линия (линия наименьшего масштаба) проходила через конечные точки, а расстояние между этими точками равнялось L.

Для косой проекции Меркатора задаются следующие параметры:

• широта и долгота центра проекции φ₀, λ₀
• азимут начальной линии α
• масштаб на начальной линии k₀
• прямоугольные координаты в центре проекции x₀, y₀
• разворот координатных осей γ

Азимут начальной линии должен находиться в диапазоне −90° < α < +90°. Таким образом, если разворот γ равен нулю, ось OY будет направлена вдоль начальной линии в северную полуплоскость, OX в восточную.

Разворот γ обычно приравнивается значению α, чтобы компенсировать начальный разворот осей и вернуть оси OY направление строго на север. Возможность его явного задания позволяет произвольно управлять ориентацией осей МСК. Если задать нулевой разворот γ, ось OY будет направлена вдоль начальной линии в северную полуплоскость, OX перпендикулярно к начальной линии в восточную.

Определение параметров

Приведём данные тестового примера. Осевая линия задана координатами конечных точек на эллипсоиде WGS 84:

NN	φ	λ
1	52°00′03.358″N	23°07′37.837″E
2	52°00′46.722″N	23°10′15.918″E

Расстояние вдоль оси задано значением L = 3300.000 м.

Рассмотрим последовательность решения задачи с использованием PROJ. Вид строки параметров таков:

+proj=omerc +lat_0=φ₀ +lonc=λ₀ +alpha=α +k_0=k₀ +x_0=x₀ +y_0=y₀ +gamma=γ

Задачу помещения центра проекции в середину линии, соединяющей конечные точки, решим в два этапа. Сначала решим обратную геодезическую задачу, что даст азимут с первой точки на вторую α₁₂, азимут со второй точки на первую α₂₁ и длину отрезка геодезической линии между ними S. Затем решим прямую геодезическую задачу (ПГЗ), чтобы получить координаты средней точки и азимуты направлений с неё на конечные точки.

Решение обратной геодезической задачи

Цель — вычисление азимутов прямого и обратного направлений, а также длины отрезка геодезической линии на поверхности эллипсоида.

Решим ОГЗ с помощью утилиты geod из пакета PROJ.4:

$ geod -I -f "%.17g" -F "%.17g" +ellps=WGS84 +units=m <<EOF
> 52d00'03.358"N 023d07'37.837"E 52d00'46.722"N 023d10'15.918"E
> EOF

Программа выдаёт решение на эллипсоиде в виде строки значений α₁₂, α₂₁, S₁₂:

66.017759443956336 -113.94763462689073 3299.7360258541303

Решение прямой геодезической задачи

Цель — получить координаты и азимут середины отрезка геодезической линии. Прежде всего вычислим половину длины отрезка:

3299.7360258541303 / 2 = 1649.86801292706515

Для контроля решим ПГЗ дважды, от обоих концов линии. Используем ту же утилиту geod:

$ geod -f "%.17g" +ellps=WGS84 +units=m <<EOF
> 52d00'03.358"N 023d07'37.837"E 66.017759443956336 1649.86801292706515
> 52d00'46.722"N 023d10'15.918"E -113.94763462689073 1649.86801292706515
> EOF

Результатом будут две строки значений: φ₀, λ₀, α:

52.006957604612808 23.14912969166868 -113.96494062446807
52.006957604612793 23.149129691668666 66.035059375531944

Координаты центра проекции практически совпадают, азимуты обратных направлений отличаются на 180°.

Построение проекции

По результатам решения ПГЗ построим проекцию в первом приближении. Параметры lat_0 и lonc примем равными φ₀ и λ₀. Параметр alpha должен быть в диапазоне ±90°, примем для него значение α₀₂ = α₀₁ ± 180°. Чтобы направить ось OX вдоль направления 0–1, параметр разворота gamma примем равным 90°. Вот предварительный набор:

+lat_0=50.504316101 +lonc=20.989441172 +alpha=51.89831026 +k_0=1 +x_0=0 +y_0=0 +gamma=90

Вычислим координаты конечных точек в проекции:

$ proj -r -f "%.17g" +proj=omerc +lat_0=52.0069576046128 +lonc=23.1491296916687 +alpha=66.0350593755319 +k_0=1 +x_0=0 +y_0=0 +gamma=90 +ellps=WGS84 +units=m <<EOF
> 52d00'03.358"N 023d07'37.837"E
> 52d00'46.722"N 023d10'15.918"E
> EOF

Программа выдаёт координаты первой и второй точек x₁, y₁ и x₂, y₂:

-1649.8680129311654 -1.0102527905258779e-13
1649.8680129226682 1.0631327490867519e-09

Вычислим масштаб k_0 как отношение заданной длины L к разности координат x₂ − x₁: k_0 = 3300 / (1649.8680129226682 + 1649.8680129311654) = 1.0000799985647634. Подставим это значение вместо единицы:

$ proj -r -f "%.17g" +proj=omerc +lat_0=52.0069576046128 +lonc=23.1491296916687 +alpha=66.0350593755319 +k_0=1.00007999856476 +x_0=0 +y_0=0 +gamma=90 +ellps=WGS84 +units=m <<EOF
> 52d00'03.358"N 023d07'37.837"E
> 52d00'46.722"N 023d10'15.918"E
> EOF

Вывод программы:

-1650.0000000040786 -1.0103336092990638e-13
1649.9999999969975 1.0632177981808281e-09

Точки практически лежат на оси OX, расстояние между ними 3300.000 м. Поставленная задача решена, проекция построена.

Пользовательская проекция в QGIS

Создадим пользовательскую систему координат в формате WKT.

Вариант B

Косая проекция Меркатора может быть задана в вариантах A и B. Начнём со второго, поскольку в нём плоские координаты отсчитываются от центра проекции, и для него всё готово.

В начале введём название системы координат латиницей "Biala Podlaska airdrome".

При вводе параметров проекции поможет следующая таблица соответствия:

WKT	PROJ
Latitude of projection centre	lat_0
Longitude of projection centre	lonc
Azimuth of initial line	alpha
Angle from Rectified to Skew Grid	gamma
Scale factor on initial line	k, k_0
Easting at projection centre	x_0
Northing at projection centre	y_0

В конце вставим название покрываемой территории "Europe - Poland - Biala Podlaska" и охват в формате φ_min, λ_min, φ_max, λ_max.

Готовая система координат в формате WKT:

PROJCRS["Biala Podlaska airdrome",
    BASEGEOGCRS["WGS 84",
        DATUM["World Geodetic System 1984",
            ELLIPSOID["WGS 84",6378137,298.257223563,
                LENGTHUNIT["metre",1]]],
        PRIMEM["Greenwich",0,
            ANGLEUNIT["Degree",0.0174532925199433]],
        ID["EPSG",4326]],
    CONVERSION["Biala Podlaska airdrome",
        METHOD["Hotine Oblique Mercator (variant B)",
            ID["EPSG",9815]],
        PARAMETER["Latitude of projection centre",52.0069576046128,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8811]],
        PARAMETER["Longitude of projection centre",23.1491296916687,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8812]],
        PARAMETER["Azimuth of initial line",66.0350593755319,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8813]],
        PARAMETER["Angle from Rectified to Skew Grid",90,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8814]],
        PARAMETER["Scale factor on initial line",1.00007999856476,
            SCALEUNIT["unity",1],
            ID["EPSG",8815]],
        PARAMETER["Easting at projection centre",0,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8816]],
        PARAMETER["Northing at projection centre",0,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8817]]],
    CS[Cartesian,2],
        AXIS["(E)",east,
            ORDER[1],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
        AXIS["(N)",north,
            ORDER[2],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
    USAGE[
        SCOPE["unknown"],
        AREA["Europe - Poland - Biala Podlaska"],
        BBOX[51.9,23.0,52.1,23.3]]]

Вариант A

В варианте A прямоугольные координаты отсчитываются от точки пересечения начальной линии с экватором апосферы. Практически он отличается от B числовыми значениями параметров x_0 и y_0.

Вычислим координаты центра проекции с параметром no_off:

$ proj -r -f "%.17g" +proj=omerc +lat_0=52.0069576046128 +lonc=23.1491296916687 +alpha=66.0350593755319 +k_0=1.00007999856476 +x_0=0 +y_0=0 +gamma=90 +ellps=WGS84 +no_off +units=m <<EOF
> 52.0069576046128 23.1491296916687
> EOF

Вывод программы:

8064096.0024511777 -2.1496104200899204e-10

Поменяв знаки на противоположные, получим параметры x_0 = -8064096.00245118, y_0 = 0.

Описание проекции в формате WKT по варианту A:

PROJCRS["Biala Podlaska airdrome",
    BASEGEOGCRS["WGS 84",
        DATUM["World Geodetic System 1984",
            ELLIPSOID["WGS 84",6378137,298.257223563,
                LENGTHUNIT["metre",1]]],
        PRIMEM["Greenwich",0,
            ANGLEUNIT["Degree",0.0174532925199433]],
        ID["EPSG",4326]],
    CONVERSION["Biala Podlaska airdrome",
        METHOD["Hotine Oblique Mercator (variant A)",
            ID["EPSG",9812]],
        PARAMETER["Latitude of projection centre",52.0069576046128,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8811]],
        PARAMETER["Longitude of projection centre",23.1491296916687,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8812]],
        PARAMETER["Azimuth of initial line",66.0350593755319,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8813]],
        PARAMETER["Angle from Rectified to Skew Grid",90,
            ANGLEUNIT["degree",0.0174532925199433],
            ID["EPSG",8814]],
        PARAMETER["Scale factor on initial line",1.00007999856476,
            SCALEUNIT["unity",1],
            ID["EPSG",8815]],
        PARAMETER["Easting at projection centre",-8064096.00245118,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8816]],
        PARAMETER["Northing at projection centre",0,
            LENGTHUNIT["metre",1],
            ID["EPSG",8817]]],
    CS[Cartesian,2],
        AXIS["(E)",east,
            ORDER[1],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
        AXIS["(N)",north,
            ORDER[2],
            LENGTHUNIT["metre",1]],
    USAGE[
        SCOPE["unknown"],
        AREA["Europe - Poland - Biala Podlaska"],
        BBOX[51.9,23.0,52.1,23.3]]]

Заключение

Рассмотренный способ построения проекции прост, поскольку позволяет заменить знание математической картографии обращением к утилите geod из библиотеки PROJ, которая используется как чёрный ящик. Этот подход не совсем корректен, поскольку геодезическая линия, соединяющая две точки на эллипсоиде, в косой проекции Меркатора отображается в кривую на апосфере, близкую к дуге большого круга, но не совпадающую с ней. К счастью, это несущественно даже для объектов длиной в сотни и тысячи километров.

Ссылки

• Map Projections — A Working Manual, Snyder J. P., USGS Professional Paper 1395, 1987
• Coordinate Conversions and Transformations including Formulas, EPSG Guidance Note 7, 2002
• Hotine Oblique Mercator
• man_proj – PROJ.4
• man_geod – PROJ.4
• GeographicLib
• Добавление местной координатной системы в GIS