Datum geodésico

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Un datum geodésico o un sistema geodésico (también: datum de referencia geodésico, sistema de referencia geodésico, o < b>marco de referencia geodésico) es una referencia de datum global o marco de referencia para representar con precisión la posición de ubicaciones en la Tierra u otros cuerpos planetarios mediante coordenadas geodésicas. Los datums son cruciales para cualquier tecnología o técnica basada en la ubicación espacial, incluida la geodesia, la navegación, la topografía, los sistemas de información geográfica, la teledetección y la cartografía. Un dato horizontal se utiliza para medir una ubicación en la superficie de la Tierra, en latitud y longitud u otro sistema de coordenadas; un datum vertical se utiliza para medir la elevación o la profundidad relativa a un origen estándar, como el nivel medio del mar (MSL). Desde el surgimiento del sistema de posicionamiento global (GPS), el elipsoide y datum WGS 84 que utiliza ha suplantado a la mayoría de los demás en muchas aplicaciones. El WGS 84 está diseñado para uso global, a diferencia de la mayoría de los datums anteriores.

Antes del GPS, no había una manera precisa de medir la posición de una ubicación que estaba lejos de puntos de referencia universales, como el primer meridiano en el Observatorio de Greenwich para la longitud, el ecuador para la latitud o la costa más cercana. para el nivel del mar. Los métodos astronómicos y cronológicos tienen una precisión y exactitud limitadas, especialmente en largas distancias. Incluso el GPS requiere un marco predefinido en el que basar sus mediciones, por lo que WGS 84 funciona esencialmente como un datum, aunque es diferente en algunos detalles de un datum horizontal o vertical estándar tradicional.

Una especificación de datum estándar (ya sea horizontal o vertical) consta de varias partes: un modelo para la forma y las dimensiones de la Tierra, como un elipsoide de referencia o un geoide; un origen en el que el elipsoide/geoide está vinculado a una ubicación conocida (a menudo monumental) en o dentro de la Tierra (no necesariamente en 0 latitud 0 longitud); y múltiples puntos de control que han sido medidos con precisión desde el origen y monumentados. Luego, las coordenadas de otros lugares se miden desde el punto de control más cercano mediante topografía. Debido a que el elipsoide o geoide difiere entre datums, junto con sus orígenes y orientación en el espacio, la relación entre las coordenadas referidas a un datum y las coordenadas referidas a otro datum no está definida y solo se puede aproximar. Utilizando datums locales, la disparidad en el terreno entre un punto que tiene las mismas coordenadas horizontales en dos datums diferentes podría alcanzar kilómetros si el punto está lejos del origen de uno o ambos datums. Este fenómeno se llama desplazamiento de datos.

Debido a que la Tierra es un elipsoide imperfecto, los datos locales pueden dar una representación más precisa de un área de cobertura específica que el WGS 84. OSGB36, por ejemplo, es una mejor aproximación al geoide que cubre las Islas Británicas que el elipsoide global WGS 84. Sin embargo, como los beneficios de un sistema global superan la mayor precisión, el datum global WGS 84 se ha adoptado ampliamente.

Historia

La naturaleza esférica de la Tierra era conocida por los antiguos griegos, quienes también desarrollaron los conceptos de latitud y longitud, y los primeros métodos astronómicos para medirlos. Estos métodos, conservados y desarrollados por astrónomos musulmanes e indios, fueron suficientes para las exploraciones globales de los siglos XV y XVI.

Sin embargo, los avances científicos del Siglo de las Luces trajeron un reconocimiento de errores en estas mediciones y una demanda de mayor precisión. Esto condujo a innovaciones tecnológicas como el cronómetro marino de 1735 de John Harrison, pero también a una reconsideración de las suposiciones subyacentes sobre la forma de la Tierra misma. Isaac Newton postuló que la conservación del impulso debería hacer que la Tierra fuera achatada (más ancha en el ecuador), mientras que los primeros estudios de Jacques Cassini (1720) le llevaron a creer que la Tierra estaba achatada (más ancha en los polos). Las posteriores misiones geodésicas francesas (1735-1739) a Laponia y Perú corroboraron a Newton, pero también descubrieron variaciones en la gravedad que eventualmente conducirían al modelo geoide.

Un desarrollo contemporáneo fue el uso del levantamiento trigonométrico para medir con precisión la distancia y la ubicación en grandes distancias. A partir de las encuestas de Jacques Cassini (1718) y la encuesta anglo-francesa (1784-1790), a finales del siglo XVIII, las redes de control de encuestas cubrían Francia y el Reino Unido. Empresas más ambiciosas, como el Arco Geodésico de Struve en Europa del Este (1816-1855) y el Gran Estudio Trigonométrico de la India (1802-1871), tardaron mucho más, pero dieron como resultado estimaciones más precisas de la forma del elipsoide de la Tierra. La primera triangulación en los Estados Unidos no se completó hasta 1899.

El estudio estadounidense dio como resultado el datum norteamericano (horizontal) de 1927 (NAD27) y el datum vertical de 1929 (NAVD29), los primeros datums estándar disponibles para uso público. A esto le siguió la publicación de datos nacionales y regionales durante las siguientes décadas. La mejora de las mediciones, incluido el uso de los primeros satélites, permitió obtener datos más precisos a finales del siglo XX, como NAD83 en América del Norte, ETRS89 en Europa y GDA94 en Australia. En esta época también se desarrollaron por primera vez los datums globales para su uso en sistemas de navegación por satélite, especialmente el Sistema Geodésico Mundial (WGS 84), utilizado en el sistema de posicionamiento global (GPS) de EE. UU., y el Marco y sistema de referencia terrestre internacional (ITRF), utilizado en el Sistema europeo Galileo.

Dimensiones

Dato horizontal

El datum horizontal es el modelo utilizado para medir posiciones en la Tierra. Un punto específico puede tener coordenadas sustancialmente diferentes, dependiendo del dato utilizado para realizar la medición. Hay cientos de puntos de referencia horizontales locales en todo el mundo, generalmente referenciados a algún punto de referencia local conveniente. Los datos contemporáneos, basados en mediciones cada vez más precisas de la forma de la Tierra, están destinados a cubrir áreas más grandes. El datum WGS 84, que es casi idéntico al datum NAD83 utilizado en Norteamérica y al datum ETRS89 utilizado en Europa, es un datum estándar común.

Dato vertical

Un datum vertical es una superficie de referencia para posiciones verticales, como las elevaciones de las características de la Tierra, incluido el terreno, la batimetría, el nivel del agua y las estructuras creadas por el hombre.

Una definición aproximada del nivel del mar es el datum WGS 84, un elipsoide, mientras que una definición más precisa es el Modelo Gravitacional de la Tierra 2008 (EGM2008), que utiliza al menos 2.159 armónicos esféricos. Se definen otros datums para otras áreas o en otros momentos; ED50 se definió en 1950 en Europa y difiere de WGS 84 en unos cientos de metros dependiendo de dónde se mire en Europa. Marte no tiene océanos y, por tanto, no tiene nivel del mar, pero se han utilizado al menos dos datos marcianos para localizar lugares allí.

Coordenadas geodésicas

In coordenadas geodésicas, la superficie de la Tierra es aproximada por un elipsoide, y las ubicaciones cercanas a la superficie se describen en términos de geodésica () ${displaystyle phi }$ ), longitud () ${displaystyle lambda }$ ), y altura ellipsoidal () ${displaystyle h}$ ).

Elipsoide de referencia terrestre

Definición y parámetros derivados

El ellipsoide está completamente parametizado por el eje semi-major ${displaystyle a}$ y el aplanamiento ${displaystyle f}$ .

Parámetro	Signatura
Axis semi-major	${displaystyle a}$
Recíproco de aplanamiento	${fnMicroc} {1}{f}}$

Desde ${displaystyle a}$ y ${displaystyle f}$ es posible derivar el eje semi-minor ${displaystyle b}$ , primera excentricidad ${displaystyle e}$ y segunda excentricidad ${displaystyle e'}$ del elipsoide

Parámetro	Valor
Axis semi-minor	${displaystyle b=a(1-f)}$
Primera excentricidad cuadrada	${displaystyle e^{2}=1-{frac {b^{2}{a^{2}}=f(2-f)}$
Segundo cuadrado de excentricidad	${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicroc} {fnMicroc}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}} {f}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}$

Parámetros para algunos sistemas geodésicos

Los dos principales elipsoides de referencia utilizados en todo el mundo son el GRS80 y el WGS 84.

Aquí puede encontrar una lista más completa de sistemas geodésicos.

Sistema de Referencia Geodésica 1980 (GRS80)

Parámetros GRS80
Parámetro	Notación	Valor
Axis semi-major	${displaystyle a}$	6378137m
Recíproco de aplanamiento	${fnMicroc} {1}{f}}$	298.257222101

Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS 84)

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) utiliza el Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS 84) para determinar la ubicación de un punto cerca de la superficie de la Tierra.

WGS 84 parámetros de definición
Parámetro	Notación	Valor
Axis semi-major	${displaystyle a}$	6378137.0 m
Recíproco de aplanamiento	${fnMicroc} {1}{f}}$	298.257223563

WGS 84 derivada de constantes geométricas
Constante	Notación	Valor
Axis semi-minor	${displaystyle b}$	63567523142 m
Primera excentricidad cuadrada	${displaystyle e^{2}$	6.69437999014×10⁻³
Segundo cuadrado de excentricidad	${displaystyle {e}} {2}}}$	6.73949674228×10⁻³

Transformación de datos

La diferencia de coordenadas entre datos de referencia se denomina comúnmente desplazamiento de datos de referencia. El cambio de datum entre dos datums particulares puede variar de un lugar a otro dentro de un país o región, y puede ser desde cero hasta cientos de metros (o varios kilómetros para algunas islas remotas). El Polo Norte, el Polo Sur y el Ecuador estarán en diferentes posiciones en diferentes puntos de referencia, por lo que el Norte verdadero será ligeramente diferente. Diferentes datos utilizan diferentes interpolaciones para la forma y el tamaño precisos de la Tierra (elipsoides de referencia). Por ejemplo, en Sydney hay una diferencia de 200 metros (700 pies) entre las coordenadas GPS configuradas en GDA (basado en el estándar global WGS 84) y AGD (utilizado para la mayoría de los mapas locales), lo cual es un error inaceptablemente grande para algunas aplicaciones, como como levantamiento topográfico o localización de sitios para practicar buceo.

La conversión de datos de referencia es el proceso de convertir las coordenadas de un punto de un sistema de datos de referencia a otro. Debido a que las redes de levantamiento en las que tradicionalmente se basaban los datos de referencia son irregulares y el error en los primeros levantamientos no está distribuido uniformemente, la conversión de datos de referencia no se puede realizar utilizando una función paramétrica simple. Por ejemplo, la conversión de NAD27 a NAD83 se realiza utilizando NADCON (luego mejorado como HARN), una cuadrícula ráster que cubre América del Norte, siendo el valor de cada celda la distancia de ajuste promedio para esa área en latitud y longitud. La conversión de datos puede ir frecuentemente acompañada de un cambio en la proyección cartográfica.

Discusión y ejemplos

Un datum de referencia geodésico es una superficie conocida y constante que se utiliza para describir la ubicación de puntos desconocidos en la Tierra. Dado que los datos de referencia pueden tener diferentes radios y diferentes puntos centrales, un punto específico en la Tierra puede tener coordenadas sustancialmente diferentes dependiendo del dato utilizado para realizar la medición. Hay cientos de datos de referencia desarrollados localmente en todo el mundo, generalmente referenciados a algún punto de referencia local conveniente. Los datos contemporáneos, basados en mediciones cada vez más precisas de la forma de la Tierra, están destinados a cubrir áreas más grandes. Los Datums de referencia más comunes que se utilizan en América del Norte son NAD27, NAD83 y WGS 84.

El Datum de América del Norte de 1927 (NAD 27) es "el datum de control horizontal para los Estados Unidos que se definió por una ubicación y un azimut en el esferoide Clarke de 1866, con origen en (la estación topográfica) Meades". Ranch (Kansas)."... Se supuso que la altura geoide en Meades Ranch era cero, ya que no había suficientes datos de gravedad disponibles, y esto era necesario para relacionar las mediciones de la superficie con el datum. "Las posiciones geodésicas en el datum norteamericano de 1927 se derivaron de (coordenadas y acimut en Meades Ranch) mediante un reajuste de la triangulación de toda la red en la que se introdujeron los acimutes de Laplace y se utilizó el método Bowie.." (http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum) NAD27 es un sistema de referencia local que cubre América del Norte.

El Datum de América del Norte de 1983 (NAD 83) es "El datum de control horizontal para Estados Unidos, Canadá, México y Centroamérica, basado en un origen geocéntrico y el Sistema de Referencia Geodésico de 1980 (GRS80). "Este dato, designado como NAD 83... se basa en el ajuste de 250.000 puntos, incluidas 600 estaciones satelitales Doppler que limitan el sistema a un origen geocéntrico". NAD83 puede considerarse un sistema de referencia local.

WGS 84 es el Sistema Geodésico Mundial de 1984. Es el marco de referencia utilizado por el Departamento de Defensa (DoD) de EE. UU. y está definido por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial (NGA) (antes Agencia de Cartografía de Defensa, luego Agencia Agencia Nacional de Imagen y Cartografía). El Departamento de Defensa utiliza WGS 84 para todas sus necesidades de cartografía, cartografía, topografía y navegación, incluida su función de "transmisión" y "preciso" órbitas. WGS 84 se definió en enero de 1987 utilizando técnicas de estudio por satélite Doppler. Se utilizó como marco de referencia para las efemérides (órbitas) GPS transmitidas a partir del 23 de enero de 1987. A las 0000 GMT del 2 de enero de 1994, se mejoró la precisión del WGS 84 utilizando mediciones GPS. El nombre formal luego pasó a ser WGS 84 (G730), ya que la fecha de actualización coincidió con el inicio de la Semana GPS 730. Se convirtió en el marco de referencia para las órbitas transmitidas el 28 de junio de 1994. A las 0000 GMT del 30 de septiembre de 1996 (el inicio de GPS Semana 873), WGS 84 se redefinió nuevamente y se alineó más estrechamente con el marco ITRF 94 del Servicio Internacional de Rotación de la Tierra (IERS). Luego se llamó formalmente WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) fue adoptado como marco de referencia para órbitas de transmisión el 29 de enero de 1997. Otra actualización lo llevó a WGS 84 (G1674).

El datum WGS 84, a dos metros del datum NAD83 utilizado en América del Norte, es el único sistema de referencia mundial vigente en la actualidad. WGS 84 es el datum estándar predeterminado para las coordenadas almacenadas en unidades GPS recreativas y comerciales.

Se advierte a los usuarios de GPS que siempre deben comprobar los datos de los mapas que están utilizando. Para ingresar, mostrar y almacenar correctamente las coordenadas del mapa relacionadas, el dato del mapa debe ingresarse en el campo de dato del mapa GPS.

Ejemplos

Ejemplos de datos cartográficos son:

84, 72, 66 y 60 del sistema geodésico mundial
NAD83, el Dato Norteamericano que es muy similar al GT 84
NAD27, el viejo Datum norteamericano, del cual NAD83 era básicamente un reajuste [1]
OSGB36 de la Encuesta de Ordnance de Gran Bretaña
ETRS89, el Datum Europeo, relacionado con el ITRS
ED50, el viejo Datum europeo
GDA94, el Datum australiano
JGD2011, el Datum japonés, ajustado para cambios causados por el terremoto y tsunami de Tōhoku 2011
Tokio97, el viejo Datum japonés
KGD2002, el Datum coreano
TWD67 y TWD97, datum diferente actualmente utilizado en Taiwán.
BJS54 y XAS80, antiguo dato geodésico usado en China
GCJ-02 y BD-09, datum geodésico encriptado chino.
PZ-90.11, la actual referencia geodésica utilizada por GLONASS
GTRF, la referencia geodésica utilizada por Galileo; actualmente definida como ITRF2005
CGCS2000, o CGS-2000, la referencia geodésica utilizada por BeiDou Navigation Satellite System; basada en ITRF97
Marcos internacionales de referencia terrestre (ITRF88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 97, 2000, 2005, 2008, 2014, diferentes realizaciones del ITRS.
Hong Kong Principal Datum, un dato vertical utilizado en Hong Kong.
SAD69 - South American Datum 1969

Movimiento de la placa

Las placas tectónicas de la Tierra se mueven entre sí en diferentes direcciones a velocidades del orden de 50 a 100 mm (2,0 a 3,9 pulgadas) por año. Por lo tanto, las ubicaciones en diferentes placas están en movimiento entre sí. Por ejemplo, la diferencia longitudinal entre un punto del ecuador de Uganda, en la Placa Africana, y un punto del ecuador de Ecuador, en la Placa Sudamericana, aumenta aproximadamente 0,0014 segundos de arco por año. Estos movimientos tectónicos también afectan la latitud.

Si se utiliza un marco de referencia global (como WGS84), las coordenadas de un lugar en la superficie generalmente cambiarán de un año a otro. La mayoría de los mapas, como los de un solo país, no abarcan placas. Para minimizar los cambios de coordenadas en ese caso, se puede utilizar un sistema de referencia diferente, uno cuyas coordenadas estén fijadas a esa placa en particular. Ejemplos de estos marcos de referencia son "NAD83" para Norteamérica y "ETRS89" para Europa.

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