Tầm quan trọng của trắc địa đối với việc thu thập dữ liệu GIS có độ chính xác cao

Năm khái niệm trắc địa cơ bản được giải thích

Trimble đã xây dựng phần mềm thu thập dữ liệu GIS trong hơn hai thập kỷ và hợp tác chặt chẽ với khách hàng để giải quyết những thách thức của hệ tọa độ và trắc địa. Khi dữ liệu GIS có độ chính xác cao trở nên phổ biến hơn đối với nhiều tổ chức, các chuyên gia GIS điển hình sẽ cần phải nâng cao kiến ​​thức của họ trong lĩnh vực này. Bài đăng trên blog này trình bày tóm tắt các khái niệm chính áp dụng cho nhiều quy trình công việc của phần mềm thu thập dữ liệu GIS.

Các khái niệm trắc địa cơ bản

Một số khái niệm là chìa khóa để hiểu tác động của hệ tọa độ và trắc địa đối với quy trình thu thập dữ liệu GIS.

1. Datums

Khi thực hiện bất kỳ loại phép đo nào, cần phải có một số điểm gốc (hoặc điểm “không”) mà phép đo được thực hiện. Để so sánh hai hoặc nhiều phép đo và xác định sự khác biệt, bạn thực sự cần phải sử dụng cùng một điểm gốc. Ví dụ: khi mô tả chiều cao của một bức tường giữa hai thuộc tính, cần phải chuyển tải phép đo được thực hiện từ phía nào của bức tường. Việc đo các vị trí trên Trái đất cũng không ngoại lệ, mặc dù nó phức tạp hơn do hình dạng bất thường của Trái đất. Trong trắc địa, bề mặt Trái đất được xấp xỉ bằng một ellipsoid. Vị trí, hoặc tọa độ trắc địa, trên ellipsoid này sau đó có thể được mô tả theo vĩ độ (so với đường xích đạo), kinh độ (so với Kinh tuyến gốc) và độ cao (trên ellipsoid).datum trắc địa , hay datum để đơn giản hóa.

Các kho dữ liệu thường được phân loại là toàn cầu so với cục bộ . Như tên của nó, một dữ liệu toàn cầu có thể áp dụng cho toàn bộ bề mặt Trái đất và thường được cố định vào tâm Trái đất. Dữ liệu toàn cầu được sử dụng bởi hệ thống GNSS. Có hai “tiêu chuẩn” dữ liệu toàn cầu chính – Hệ thống Trắc địa Thế giới (WGS) do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ điều khiển và Khung Tham chiếu Mặt đất Quốc tế (ITRF) do Dịch vụ Hệ thống Tham chiếu và Vòng quay Trái đất Quốc tế điều khiển. Trong cả hai trường hợp, có các bản cập nhật hoặc thực hiện dữ liệu định kỳvới độ chính xác tăng lên do sử dụng các phép đo tốt hơn (chính xác hơn và gần đây hơn) về Trái đất và những thay đổi liên tục của nó. Các nhận thức gần đây nhất của ITRF và WGS có thể được coi là giống hệt nhau trong cùng một thời điểm.

Thách thức chính khi sử dụng dữ liệu toàn cầu như ITRF2014 hoặc WGS84 làm hệ quy chiếu cho dữ liệu GIS của bạn là tọa độ toàn cầu được sử dụng để biểu thị các đối tượng địa lý mà bạn đã lập bản đồ sẽ thay đổi theo thời gian. Tất cả các vật thể trên bề mặt Trái đất (cây cối, đường sá, đường ống, v.v.) di chuyển cùng với các mảng kiến ​​tạo mà chúng nằm trên đó. Mỗi đĩa đang di chuyển so với trung tâm Trái đất, nơi các dữ liệu toàn cầu nói chung là cố định và chuyển động của mỗi đĩa ở một tốc độ khác nhau (trung bình khoảng 10 cm / năm), hướng và tốc độ quay. Điều đó có nghĩa là tọa độ ITRF2014 của một vật thể được lập bản đồ ngày hôm nay, sẽ có một tọa độ ITRF2014 khác nếu bạn quay lại sau 5, 10 hoặc 20 năm nữa và lập bản đồ lại chính vật thể đó, bởi vì mảng kiến ​​tạo bạn đang đứng sẽ trôi dạt đến một vị trí khác nhau theo thời gian, có lẽ xa đến mười ‘

 

Một cách phổ biến để tránh những thách thức với các kho dữ liệu toàn cầu là sử dụng các kho dữ liệu cục bộ để thay thế. Như tên của nó, dữ liệu địa phương được sử dụng tốt nhất trong một khu vực địa phương nơi dữ liệu có thể được cố định vào một hoặc nhiều đối tượng hoặc vị trí vật lý trên bề mặt Trái đất (ví dụ: một mảng kiến ​​tạo) nơi mọi thứ đang di chuyển với cùng tốc độ và hướng. Các tọa độ có liên quan đến các đối tượng hoặc vị trí tham chiếu này. Các kho dữ liệu địa phương hoạt động tốt đối với các khu vực có chuyển động kiến ​​tạo đồng đều (ví dụ như Úc).

Một cách khác để phân loại dữ liệu là cách chúng thay đổi – hoặc không thay đổi – theo thời gian (tức là tĩnh so với động). Khi được tham chiếu đến một  dữ liệu tĩnh , tọa độ đại diện cho vị trí của các đối tượng địa lý không thay đổi theo thời gian. Điều này là điển hình khi một mốc địa phương được cố định vào một mảng kiến ​​tạo duy nhất và chuyển động của mảng đó là đồng nhất. Các dữ liệu tĩnh vẫn có thể được điều chỉnh theo thời gian thông qua các nhận thức mới. Ví dụ về các kho dữ liệu tĩnh là GDA94 ở Úc và ETRS89 ở Châu Âu.

Ngoài ra, việc sử dụng các dữ liệu động là để xử lý trường hợp tọa độ thay đổi liên tục do chuyển động kiến ​​tạo không đồng đều (tức là biến dạng vỏ, động đất, v.v.). Theo bản chất của chúng, tất cả các dữ liệu toàn cầu đều động do chuyển động kiến ​​tạo liên tục; tọa độ của các đối tượng địa lý bề mặt sẽ liên tục thay đổi vì điểm tham chiếu của dữ liệu toàn cầu được cố định vào tâm Trái đất chứ không phải bất kỳ điểm cụ thể nào trên đó. Là một trường hợp đặc biệt, các dữ liệu bán động cho phép thay đổi tọa độ tại các thời điểm rời rạc theo thời gian, thường xảy ra sau các trận động đất lớn. Dữ liệu NZGD2000 ở New Zealand là một ví dụ về dữ liệu bán động. Yếu tố quan trọng nhất với dữ liệu động và bán động là tọa độ phải tính đến thời điểm tọa độ hoặc đối tượng địa lý được tính toán hoặc thu thập (X, Y, Z, t).

2. Epochs

Epochs là một thời điểm được sử dụng làm điểm tham chiếu cho một số phép đo thay đổi theo thời gian. Ví dụ: khi đo lưu lượng của một con sông, báo cáo về phép đo hầu như luôn bao gồm yếu tố thời gian (ví dụ: sông đang chảy với tốc độ 30 mét khối / giây lúc 10 giờ sáng ngày 10 tháng 1 năm 2006) nếu không thì phép đo giữ giá trị ít hơn nhiều (làm thế nào để so sánh nó trong lịch sử?). Đó là trường hợp với các tọa độ trắc địa cũng được đo dựa trên các dữ liệu động. Bởi vì tọa độ của các đặc điểm bề mặt liên tục thay đổi, điều rất quan trọng là phép đo phải bao gồm thời gian thực hiện phép đo.

Trong trắc địa, một Epochs thường được biểu thị dưới dạng số thập phân hiển thị một năm (phần nguyên) và một phần của năm (phần thập phân). Ví dụ: chúng tôi có thể đề cập đến tọa độ “tính đến năm 2020,00” có nghĩa là, tọa độ “tính đến ngày 1 tháng 1 năm 2020”. Khi mô tả đầy đủ một dữ liệu (cũng có thể là động, hãy nhớ rằng), ‘thẻ’ dữ liệu thường sẽ bao gồm kỷ nguyên, cùng với hiện thực, để đặt tên và nhận dạng thích hợp. Ví dụ: tên riêng của dữ liệu ngang mới nhất được sử dụng ở Hoa Kỳ là “NAD 1983 (2011) Epoch 2010.00.” Điều này củng cố thực tế rằng kỷ nguyên tham chiếu của NAD 1983 (2011) thực sự là 2010,00.

3. Biến đổi Datum

Như bạn có thể đã hình dung, có khả năng là khi làm việc với dữ liệu GIS, và đặc biệt là dữ liệu GIS được thu thập thông qua các phương pháp thu thập GNSS, bạn sẽ cần chuyển đổi dữ liệu giữa các mức dữ liệu. Ví dụ cơ bản nhất về điều này là lấy các vị trí GNSS sử dụng một dữ liệu chung và lưu trữ chúng dưới dạng các tính năng trong GIS của bạn bằng cách sử dụng một dữ liệu cục bộ. Như đã nói ở trên, cùng một vị trí trên Trái đất thường sẽ có tọa độ khác nhau giữa hai mốc dữ liệu đó. Chúng tôi thực hiện điều này thông qua các phép biến đổi dữ liệu.

Phép biến đổi dữ liệu là một công thức toán học, với các tham số, để chuyển đổi tọa độ từ mức dữ liệu này sang mức dữ liệu khác. Có nhiều loại biến đổi dữ liệu khác nhau và chúng thường thực hiện cùng một mục đích. Một ví dụ đơn giản sẽ là phép biến đổi Molodensky 3 tham số để chỉ ra sự thay đổi trong các trục X, Y và Z cùng với sự khác biệt về hình elipsoit (hình dạng đơn giản của Trái đất) được sử dụng giữa hai mức dữ liệu. Một phép tính chính xác hơn bao gồm 7 tham số – 3 hiệu số cộng với 3 tham số quay cộng với một tham số tỷ lệ. Nói chung, khi thực hiện chuyển đổi dữ liệu liên quan đến một dữ liệu động, một kỷ nguyên cụ thể được giả định (thường là kỷ nguyên tham chiếu). Đối với các khu vực có biến dạng bề mặt, có thể sử dụng phép biến đổi dựa trên lưới. Các phép biến đổi này và cụ thể là các thông số cho chúng,

Để xử lý đúng các phép biến đổi liên quan đến các dữ liệu động với các kỷ nguyên khác nhau (tức là các kỷ nguyên không tham chiếu), các phép biến đổi dữ liệu phụ thuộc thời gian phải được sử dụng để có kết quả tối ưu. Những biến đổi này có tính đến các mô hình chuyển động của mảng kiến ​​tạo (chẳng hạn như MORVEL và NNR-MORVEL56), thường có thể được lập mô hình chính xác trừ khi chúng ở gần ranh giới mảng. Khi sử dụng các phép biến đổi phụ thuộc vào thời gian – thường là 14 tham số – việc chuyển đổi tọa độ giữa các kỷ nguyên khác nhau là chính xác hợp lý ở những khu vực có chuyển động kiến ​​tạo đồng đều. Chúng có lịch sử sử dụng trong các ứng dụng khoa học và ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng khảo sát; tuy nhiên, vẫn chưa được phổ biến rộng rãi trong các ứng dụng GIS.

Các khu vực như New Zealand, California và Nhật Bản khó có thể lập mô hình bằng các công cụ tiêu chuẩn, do sự biến dạng bề mặt lớn gây ra bởi chuyển động bề mặt đa hướng với các vận tốc khác nhau (điển hình ở ranh giới mảng). Trong những trường hợp này, các công cụ thủ công do các cơ quan chính phủ cung cấp bao gồm các yếu tố bổ sung như mô hình hóa biến dạng lớp vỏ (ví dụ: NGS HTDP) để có kết quả chính xác nhất.

Xử lý không chính xác các phép biến đổi dữ liệu có thể là nguyên nhân chính gây ra lỗi trong các dự án thu thập dữ liệu GIS.

Cụ thể, theo thứ tự giảm dần độ lớn của lỗi:

• Không đặt được mức dữ liệu thích hợp. Ví dụ: sự khác biệt giữa NAD83 và WGS84 / ITRF08 lên đến 1,5 m.
• Chọn chuyển đổi dữ liệu sai. Ví dụ: chọn một phép chuyển đổi dữ liệu rỗng khi thực sự yêu cầu chuyển đổi tọa độ.
• Không tính đến thời gian khi chuyển đổi từ các mức dữ liệu động – lên đến 7 cm / năm.
• Độ chính xác của các phép biến đổi được công bố, dựa trên các mô hình cơ bản.
• Sai số của các hàm biến đổi.

4. Ellipsoidal & Orthometric Heights

Để so sánh độ cao hoặc độ cao đo được, cần phải sử dụng một tham chiếu dọc chung, hoặc số liệu. Có lẽ dữ liệu thẳng đứng phổ biến nhất được các chuyên gia GIS sử dụng là mực nước biển trung bình .. Các độ cao so với mực nước biển trung bình thường được gọi là “độ cao trực đối”. Thách thức với việc thu thập dữ liệu GNSS là theo mặc định, tất cả các phép đo và tính toán tọa độ GNSS chỉ giả định kết quả liên quan đến ellipsoid WGS84 … rõ ràng không có nghĩa là mực nước biển. Các chiều cao gốc này từ bộ thu GNSS thường được gọi là ‘chiều cao trên ellipsoid’ hoặc HAE. Để tính toán độ cao theo phương đối xứng, cần phải áp dụng hiệu chỉnh geoid thích hợp, trong đó geoid là mô hình mực nước biển trung bình toàn cầu so với một ellipsoid đã chọn (tức là mô hình Trái đất). Khi chuyển đổi giữa các mức dữ liệu khác nhau,

 

5. Các phép chiếu

Phép chiếu bản đồ là một cách để biểu diễn (làm phẳng) bề mặt 3D của Trái đất trên mặt phẳng 2D để vẽ bản đồ hoặc hiển thị. Tất cả các phép chiếu trên bản đồ đều làm biến dạng bề mặt theo một số cách và không có phép chiếu duy nhất nào là tốt nhất cho mọi mục đích hoặc cho tất cả các vùng. Nói chung, các phép chiếu bản đồ được chọn để bảo toàn ít nhất một thuộc tính về diện tích, hình dạng, hướng, vị trí, khoảng cách và / hoặc tỷ lệ. Khi thực hiện phép chiếu bản đồ, tọa độ địa lý (vĩ độ / kinh độ) được chuyển thành tọa độ Descartes, hoặc tọa độ cực, mặt phẳng (y / x hoặc đông bắc / kinh độ).