Как вычислить параметры местной системы координат. Перевод данных мск в другую систему координат

В целях ведения ГКН, составления землеустроительных карт (планов), определения координат границ земельных участков и др. на территории РФ применяют местные системы координат.

Местную систему координат задают в пределах территории кадастрового округа. Местная система плоских прямоугольных координат является системой плоских прямоугольных геодезических координат с местными координатными сетками проекции Гаусса.

При разработке местных систем координат исполь­зуют параметры эллипсоида Красовского.

В местных системах координат применяют Балтийскую систе­му высот. Редуцирование линейных измерений в проекцию Гаусса с местной координатной сеткой и вычисление геодезических вы­сот выполняют с помощью «Карты высот квазигеоида над эллип­соидом Красовского». Эта карта соответствует государственной рефератной системе.

За основу местных систем координат может быть принята сис­тема координат СК-63, которая покрывает территорию большин­ства субъектов Российской Федерации несколькими самостоя­тельными блоками. В то же время, вместо блочного покрытия территории страны, местные системы координат можно устанав­ливать на территории кадастрового округа или кадастрового рай­она.

Применение единой местной системы координат позволяет однозначно и без дополнительных преобразований вести Единый государственный реестр земель.

Местные системы координат имеют названия. Названием сис­темы может являться ее номер, равный, например, коду (номеру) субъекта РФ или города, устанавливаемому в соответствии с.«Об­щероссийским классификатором объектов административно-тер­риториального деления».

В каждой местной системе координат устанавливаются следую­щие параметры координатной сетки проекции Гаусса:

долгота осевого меридиана первой зоны L0

число координатных зон N;

координаты условного начала X0, Y0;

угол поворота θ осей координат местной системы относительно государственной в точке местного начала координат;

масштаб местной системы координат относительно плоской прямоугольной системы геодезических координат СК-42 или СК-95;

высота H 0 поверхности (плоскости) принятой за исходную, к которой приведены измерения и координаты в местной системе;

референц-эллипсоид, к которому отнесены измерения в мест­ной системе координат;

соответствующие формулы преобразования плоских прямоу­гольных геодезических координат.

Совокупность указанных параметров называют «ключом» ме­стной системы координат. В местной системе координат могут быть одна или несколько зон проекции Гаусса. В системе коорди­нат с несколькими зонами расстояние между соседними осевыми меридианами (ширина координатной зоны) составляет 3º.

Условное начало X0,Y0местных системах назначают так, чтобы координаты в пределах зоны были положительными, а значения абсцисс не имели тысяч километров. Для всех местных систем координат масштаб изображения на осевом меридиане равен единице. Каждая местная система координат территории кадастрового округа имеет тесную связь с единой государствен­ной системой плоских прямоугольных координат посредством соответствующих, ранее названных ключей перехода. При изменении (уточнении) координат пунктов геодезических сетей в го­сударственной референцией системе ключи вычисляют заново при условии минимальных изменений координат пунктов в мес­тной системе.

При преобразовании координат из одной системы в другую ис­пользуют различные алгоритмы. Участвующие в преобразовании геодезические пункты должны принадлежать одной и той же ко­ординатной зоне местной системы координат. Рассмотрим поря­док преобразования координат по двум связующим точкам.

Дано: координаты п точек (пунктов) в системе координат пер­вого блока (старая система координат) – x1y1, x2y2,…, xnyn; ко­ординаты тех же точек в системе координат второго блока (новая система координат) - x1´y1´, x2´y2´,…, xn´yn´

Примем, что точки с номерами 1 и 2 являются связующими, т. е. для них известны плоские прямоугольные координаты как в старой, так и новой системах координат.

Требуется определить координаты оставшихся (n2 ) точек в но­вой системе координат- x3´y3´, …,xn´yn´

Порядок решения задачи.

1. Вычисляют угол разворота (поворота) θ между новой и старой системами плоских прямоугольных координат.

2. Решают две обратные геодезические задачи: для отрезка, координаты начальной 1 и конечной 2 точек которого заданы в ста­рой системе координат; для этого же отрезка, но в новой системе координат.

В результате решения этих задач получают соответствующие дирекционные углы α и горизонтальные приложения S, а именно:

в старой системе координат - α1 и S1, а в новой - α2 и S2.Угол разворота θ вычисляют по формуле θ =α 2 -α 1.

3.Находят масштабный множитель m= S 2 /S 1

а также коэффициенты К1= mcos θ, К2= msin θ

4. Вычисляют преобразованные координаты x´,y´ соответствующих точек, используя полученные коэффициенты К1 и К2 путем последовательного перехода от пункта к пункту по формулам:

X´j= X´j- 1 + (Xj - Xj- 1)*К1- (Yj - Yj- 1)*К2

Y´j= Y´j- 1 + (Yj - Yj- 1)*К1- (Xj - Xj- 1)*К2

Где j = 2,3,…, n.

При j =1 X´ (j=1) = X 1 и Y ´ (j=1) = Y 1 .

В данной задаче первой (j -1 = 1) является начальная точка отрезка, а последней - конечная точка этого же отрезка (j= n, X´ (j= n) = Xn и

Y ´ (j= n) = Yn) .

Вычисление преобразованных координат второй связующей

точки (j= n) - контроль соответствующих вычислений.

При наличии более чем двух связующих пунктов параметры преобразования вычисляют, как правило, с использованием мето­да наименьших квадратов при условии: сумма квадратов поправок к координатам связующих пунктов в двух системах координат должна быть минимальной.

Для перехода из одной системы координат в другую существует принципиально 2 типа преобразований:

- преобразование координат с использованием официальноопубликованных параметров трансформирования, называемых также глобальными методами преобразования , поскольку они задают алгоритм перехода между системами координат в целом, на всем пространстве действия этих СК, например, между WGS-84 и СК-95, ITRF и СК-95, ПЗ-90 и WGS-84 и т.д.;

-преобразование координат с использованием параметров трансформирования, вычисляемых с использованием ограниченного набора расположенных на локальной территории опорных пунктов, координаты которых известны в обеих этих СК, называемых также локальными методами преобразования, поскольку они задают алгоритм пересчета координат, действующий только в отношении локальной территории, на которой расположены опорные пункты.

Классическими трехмерными методами преобразования координат, применяемыми преимущественно для глобальных преобразований между пространственными трехмерными прямоугольными или эллипсоидальными (геодезическими) системами координат являются соответственно метод Гельмерта и метод Молоденского.

Преобразование из одной пространственной (трехмерной) системы прямоугольных координат X,Y,Z (СК-1) в другую пространственную систему прямоугольных координат (СК-2) по Гельмерту заключается в осуществлении трех операций:

Перенос начала СК1 в начало СК2 путем смещения по осям XYZ на величины T X , T Y , T Z , соответствующие разности координат начал систем координат 1 и 2 (или, что аналогично, на величину значений координат конечной системы координат СК-2 в исходной СК-1);

Поворот вокруг каждой из осей координат на величины w X , w Y , w Z ,;

Масштабирование (введение множителя m , характеризующего изменение масштаба конечной СК-2 по отношению к масштабу начальной СК-1).

Таким образом, преобразование Гельмерта задается 7 вышеуказанными параметрами, из-за чего его нередко называют 7-параметрическим преобразованием, или Евклидовым преобразованием подобия, а входящие в него параметры трансформирования - параметрами Гельмерта.

Для 7-параметрическиого преобразования Гельмерта используется формула

где [X, Y, Z ] СК1 - координаты точки в исходной системе координат;

где, [X, Y, Z ] СК2 - координаты точки в конечной системе координат;

T X , T Y , T Z - величины смещения начала системы координат 1 по соответствующим осям в начало системы координат СК2;

w X , w Y , w Z - поворот вокруг каждой из осей системы координат;

m - масштабный коэффициент, учитывающий разномасштабность этих СК, его значение обычно <10 -6 и дается в единицах 6-го знака после запятой.

Метод Молоденского используется для преобразования между двумя пространственными системами геодезических координат B, L, H (т.е., исключая необходимость перехода к прямоугольным координатам XYZ).

Для преобразования координат по методу Молоденского используется формула

. (5)

,

.

Классический трехмерный метод(Classical 3D) осуществляют иногда в двух модификациях вычисления 7-параметрического преобразования: Бурша-Вольф (Bursa-Wolf) и Молоденский-Бадекас (Molodensky-Badekas).

Разница модификаций заключается в том, что в преобразовании Бурша-Вольф центром вращения является начало исходной системы координат А и используется 7 вышеописанных параметров преобразования Гельмерта – КЛАССИКА.

а в модификации Молоденский-Бадекас центром вращения является «центр тяжести» (точка на участке работ, имеющая средние координаты) опорных пунктов в исходной системе координат А, поэтому в данной модификации классического трехмерного преобразования к 7 параметрам Гельмерта добавляются еще 3 параметра (координаты центра вращения X 0 , Y 0 , Z 0 ). В LGO это реализовано так

Схема преобразований координат, привыполнении геодезических работ с использованием ГНСС-технологий приведена ниже

12. Свободное уравнивание, разновидности минимально-ограниченного уравнивания, ограниченное уравнивание, ограниченное уравнивание с одновременным оцениванием параметров трансформирования.

Порядок математической обработки спутниковых измерений:

Ø обработка ГНСС-измерений и вычисление базовых линий,

Ø вычисление невязок замкнутых фигур,

Ø оценка точности измерений по невязкам фигур,

Ø уравнивание сетей,

Ø оценка точности по результатам уравнивания

Средства математической обработки спутниковых измерений – специальное коммерческое ПО для обработки спутниковых измрений

Концепции уравнивания

В общем случае развитие ГГС путем ГНСС-измерений предполагает определение координат большого количества станций ограниченным количеством ГНСС-приемников.Выполненные в проекте наблюдения разделяются на сессии, состоящие из наблюдений на отдельных станциях (пунктах). Разработаны и используются следующие методики уравнивания спутниковых наблюдений:

· уравнивание наблюдений, выполненных на одной станции (для случая абсолютного (точечного) позиционирования) ;

· обработка одной базовой линии и последующее объединение базовых линий в сеть,

· объединенное уравнивание всех полученных наблюдений отдельной сессии (уравнивание наблюдений многих станций одной сессии ), и

· объединение решений многих сессий в строгое всеобщее сетевое решение,

· объединение спутниковых и традиционных геодезических измерений.

Уравнивание одной станции (позиционирование точки, «однопунктовое» решение) обеспечивает абсолютные координаты станции в системе WGS-84 (или ПЗ-90). Если обрабатываются только кодовые измерения, то из-за низкой точности эти результаты обычно представляют малый интерес для геодезических применений, но они часто отвечают требованиям некоторых задач геофизики, ГИС и дистанционного зондирования. Типичная область этого применения – навигация.

Концепция одинарной базовой линии очень широко используется в программном обеспечении для обработки спутниковых данных. В совместном уравнивании обрабатываются наблюдения от двух одновременно работавших приемников, преимущественно в виде двойных разностей. Результатом являются компоненты вектора базовой линии и соответствующая ковариационная матрица K XYZ .

Отдельные базовые линии используются как исходные данные в программе уравнивания сети . Обработка наблюдений в сети распадается на первичное уравнивание (решение базовых линий) и вторичное уравнивание (уравнивание векторов базовых линий).

Большинство производителей предлагают вместе с приемниками программы, которые используют концепцию базовых линий. Эти программы удобны для малых проектов, для полевой проверки данных и для применений в реальном времени.

В уравнивании многих станций одной сессии совместно обрабатываются все данные, которые наблюдались одновременно всеми участвующими в сессии приемниками. В этом случае результатами решения являются R-1 независимых векторов и ковариационная матрица размера 3(R- 1)´ 3(R- 1). В зависимости от имеющегося программного обеспечения, результаты можно также выдавать набором из 3R координат и ковариационной матрицы размером 3R ´3R . Ковариационная матрица также является блочно-диагональной, в которой размер ненулевых диагональных блоков является функцией числа приемников R . Следовательно, это строгое уравнивание наблюдений с использованием всех взаимных стохастических соотношений. Для геодезических целей такое «многопунктовое» уравнивание имеет концептуальные преимущества над методом базовых линий, поскольку используется весь потенциал точности СРНС.

Несколько решений по сессиям можно объединять в уравнивание многих сессий или, более точно, в решение по многим станциям и многим сессиям . Это обычная методика, когда крупные сети разбиваются на части из-за ограниченного числа приемников. Основное условие в таком уравнивании состоит в том, что каждая сессия связывается хотя бы с одной другой сессией через одну или большее количество общих станций, на которых наблюдения выполнялись в обе сессии. Расширение числа общих станций повышает стабильность и надежность всей сети.

Объединение спутниковых и традиционных видов измерений необходимо для перехода от общеземных координат точек спутниковой сети к государственной референцной системе СК-95 и к Балтийской системе нормальных высот.

Уравнивание геодезических сетей, построенных с применением спутниковых технологий, является необходимым этапом технологии геодезических работ. Задачами уравнивания является:

· согласование совокупности всех измерений в сети,

· минимизация и фильтрация случайных ошибок измерений,

· выявление и отбраковка грубых измерений, исключение систематических ошибок,

· получение набора уравненных координат и соответствующих им элементов базовых линий с оценкой точности в виде ошибок или ковариационных матриц,

· трансформирование координат в требуемую координатную систему,

· преобразование геодезических высот в нормальные высоты над квазигеоидом.

Таким образом, главная цель уравнивания – повышение точности и представление результатов в необходимой системе координат с оценкой точности.

Различают свободное, минимально ограниченное и ограниченное (несвободное) уравнивание .

В свободном уравнивании неизвестными считаются все пункты сети, и положение сети относительно геоцентра известно с той же точностью, что координаты начальной точки сети. В этом случае матрица коэффициентов системы уравнений поправок (матрица плана) и, следовательно, нормальная матрица будет иметь дефект ранга, равный трем. Однако использование аппарата псевдообращения матриц, применяемого в некоторых программах, позволяет провести уравнивание. Его результаты отражают внутреннюю точность сети, не деформированной ошибками исходных данных.

При фиксировании координат одного пункта получаем минимально ограниченное уравнивание, в котором нормальная матрица оказывается невырожденной. Для достижения значимого контроля векторная сеть не должна содержать векторы, концы которых не связаны, по крайней мере, с двумя станциями.

Свободное и минимально ограниченное уравнивание применяются для решения первых трех задач уравнивания (согласование совокупности всех измерений в сети, минимизация и фильтрация случайных ошибок измерений, выявление и отбраковка грубых измерений, исключение систематических ошибок измерений).

При фиксировании более чем трех координат - ограниченное уравнивание. В этом случае будут наложены дополнительные ограничения по отношению к минимально необходимым.

Ограниченное уравнивание выполняется после успешного выполнения минимально ограниченного уравнивания для включения вновь построенной сети в существующую сеть, в ее координатную систему, в том числе систему высот. Для этого новая сеть должна быть связана, по крайней мере, с двумя станциями существующей сети.

Особая проблема, - это совместное уравнивание спутниковых и обычных геодезических измерений. Суть ее в том, что традиционные геодезические измерения (измерения углов, нивелировки, астрономические определения и др.) выполняются с использованием уровня, то есть в качестве опорной поверхности используется геоид. Измерения базовых линий производятся в системе осей общеземного эллипсоида. Для корректного приведения данных к одной какой-либо системе необходимо знать высоты геоида над эллипсоидом с соответствующей точностью.

При ограниченном уравнивании в качестве дополнительных неизвестных в параметрические уравнения могут вставляться параметры связи между системами координат и высот.

Объединение спутниковых и традиционных измерений производится при ограниченном уравнивании . Математические модели для пространственных координат основаны на методе Гельмерта (локальное трансформирование по методу подобия координат в декартовых). В этом преобразовании масштабный коэффициент одинаков во всех направлениях, вследствие чего сохраняется форма сети, т.е. не искажаются углы, но длины линий и положения точек могут изменяться.

Данные в местной системе координат очень часто используются в государственном реестре недвижимости. Так на основе экспорта в ГИС КАРТА данных из кадастрового плана территории, как это осуществляется читайте в статье Конвертирование xml-выписок Росреестра , можно получить электронную карту без установленных параметров системы координат.

Если знать параметры местной системы координат, то их можно прописать в паспорте электронной карты. В нашем примере используются данные в МСК-12 зона 2 для территории Мари-Турекского района Республики Марий Эл, которые взяты из статьи МСК-12 Республика Марий Эл параметры для mapinfow.prj . Так же параметры МСК можно взять из файла Субъектов РФ.xml , расположенного в корне папки установленной 11 версии Панорамы (ГИС Карта).

Сразу оговоримся, что данные параметры местной системы координат получены РАСЧЕТНЫМ ПУТЕМ в программной среде при сопоставлении данных Публичной кадастровой карты Росреестра (КОТОРЫЕ ИМЕЮТ ЯВНОЕ СМЕЩЕНИЕ при открытом опубликовании) и данных кадастровых планов (КПТ) территориальных управлений кадастровых палат. Таким образом эти параметры требуют корректировки. В данной статье рассказывается лишь о порядке необходимых действий для преобразования данных из одной системы координат (местной) в другую систему.

Этап 1. Для настройки параметров системы координат в ГИС КАРТА выберите в меню «Задачи/Паспорт карты» или нажмите клавишу F8, во всплывшем окне необходимо выбрать соответствующие: тип карты – 1; эллипсоид – 2; значения осевого меридиана, смещение на восток и север, угол поворота и масштабный коэффициент – 3. Пример строки для Mapinfo:

«МСК-12 зона 2», 8, 1001, 7, 50.55, 0, 1, 2250000, -5914743.504.

Обозначения параметров в строке представлены для Mapinfo и ГИС Карта в нижеследующей таблице. Эти параметры можно записать в xml-файл, для дальнейшего использования и быстрой установки параметров из данного файла.

Этап 2. Для преобразования данных МСК в другую систему координат необходимо создать новую карту или открыть существующую карту с соответствующими параметрами, например СК-95, как представлено на рисунке. Номер зоны для данного района – 9.

Этап 3. Переходим в карту с МСК, выделяем все объекты карты, и через меню «Правка/Копировать выделенные объекты» копируем их в буфер обмена. Далее переходим через меню «окно» в карту с СК-95 и через меню «правка/вставить объекты карты» вставляем данные, которые автоматически пересчитываются из МСК в СК-95.

Внимание: Разработчики Панорамы такой способ пересчета не рекомендуют. Лучше после этапа 1 запустить через меню «Задачи/Запуск приложений» или кнопка F12 приложение во вкладке «Преобразование данных (карт)/Преобразование векторной карты», где настраиваются выходные параметры карты (в правой части окна), которые будут сохранены под тем же именем, что и исходная карта, но в подпапке Modifi.