Prof. ing. Bohuslav Veverka, DrSc.
katedra mapování a kartografie
Fakulty stavební fakulta ČVUT
v Praze
Thákurova 7
166 29Praha 6
E-mail : veverka@fsv.cvut.cz
Abstract
Coordinate systems used in the Czech Republic. Ellipsoids, geodetic datum, cartographic projection, Transformations between plane and spherical coordinates. Computational software MADTRAN and MATKART.
Abstrakt
Souřadné systémy používané v ČR, elipsoidy, geodetické datumy, kartografické projekce, transformace rovinných a prostorových souřadnic. Výpočetní software MADTRAN a MATKART.
1. Úvod
Uživatelé i tvůrci GIS technologií založených na digitální kartografii, se často setkávají s problematikou různých souřadných systémů definovaných v rovině i na povrchu elipsoidu a potřebou jejich vzájemných převodů s přesností vyhovující GISům. Zejména velké nejasnosti panují v oblasti vztahu mezi státním mapovým dílem, jeho souřadným systémem, použitým elipsoidem a kartografickou projekcí. Běžně se používá nestandardní a pojmově nepřesná terminologie vedoucí k matení pojmů a ve svém důsledků ke komplikacím např. při digitalizaci obsahu map a převodu naměřených hodnot do zvoleného souřadného systému. Totéž a v podstatně větší míře platí o propojování dat lokalizovaných v různých souřadných systémech. V dalším textu proto nejprve uvedeme základní pojmy a jejich vysvětlení. Podrobné informace a vyvození matematických postupů nutno hledat v učebnicích vyšší geodézie [2] a matematické kartografie[ 1], či topografické a tematické kartografie [8].
2. Základní pojmy
Nejprve uvedeme základní pojmy.
Y = (N+H) cos φ sin λ
Z = (N (1- e2)+H) sin φ
Obr. 1 Geocentrický souřadný systém elipsoidu WGS 84
Kde H je výška bodu nad
elipsoidem, měřená po normále, e2 =(a2-b2)/a2
(e-první excentricita elipsoidu), N
= a / (1- e2sin2 φ
)1/2 (N-příčný
poloměr křivosti). Zpětná transformace X,Y,Z ºφ,
λ, h je složitější a je nutno
použít postupnou aproximaci, viz CIMBÁLNÍK [2]
.
3. Souřadné systémy státních mapových děl ČR
4. Transformace souřadnic
V geodézii, kartografii, mapování, GISech
se běžně setkáváme s celou řadou souřadných systémů, elipsoidů,
kartografických projekcí. Uveďme např. řešení potřeby zpracování
souřadnicových údajů z jiného státního území, ale i např. potřebu
transformace souřadnic z pracovního systému digitizéru do celostátního
geodetického souřadného systému, nebo naopak
přepočet souřadnic získaných pomocí GPS spojený s vyhledáním příslušného
mapového listu, kde leží zájmový objekt a určení jeho polohy v mapě.
4.1 Transformace v rovině
Používá se v případě, kdy máme k dispozici soubor souřadných údajů získaných z relativně malého zájmového území (např. digitalizací jednoho mapového listu, zaměřením území jedné obce aj.), který je třeba převést do jiného souřadného systému. Zde se nebudeme zabývat otázkou znalosti geodetického datumu, zobrazovacích rovnic aj. V praxi se používá postup, jehož matematickou podstatu zde nastíníme. Vstupní (získané, naměřené) souřadnice označme příponou IN, výstupní (požadované, přepočítané) příponou OUT. Půjde zde o transformaci typu
[ Xin,Yin ] → [ Xout, Yout ].
Helmertova rovinná lineární konformní transformace
je vhodná pro rovinné systémy typu X,Y,
jejichž počátky jsou vzájemně posunuty o hodnoty Δx, Δy,
souřadné osy jsou vůči sobě stočeny o úhel b
a ve směrech obou souřadných os platí měřítkový faktor m.
Transformační rovnice mají tvar
Xout = m (Xin cos b - Yin sin b) + Δx
Yout = m (Xin sin b
+ Yin cos b)
+ Δy
Poznámka. Pro výpočet neznámých veličin Δx, Δy, m, sin ba cos bje nutné znát v souřadných systémech IN, OUT soubor identických bodů, tj. bodů, u nichž známe souřadnice v obou systémech. Vstupní i výstupní souřadné hodnoty jsou ovlivněny různorodou a pestrou směsicí náhodných i systematických chyb (srážka mapy, přesnost měření, tj. měřických pomůcek a přístrojů, schopnost operátorů, různorodost zobrazení, rozdílnost elipsoidů aj.). Je vhodné určit transformační koeficienty z většího počtu identických bodů rozmístěných na okrajích a ve středu zájmového území. Helmertova transformace k tomu účelu používá metodu nejmenších čtverců (MNČ presentovaná střední kvadratickou chybou, anglicky RMS error – Root Mean Square Error). Další a zejména v GISech hojně používanou metodou jsou transformace afinní a kolineární a transformace polynomické, max. 3. řádu. Každá z těchto metod má své výhody i problematické vlastnosti. Blíže viz MORAVEC [7]
4.2 Transformace geocentrických systémů
Podobnostní transformace geocentrických souřadnic v prostoru řeší vztah mezi dvěma elipsoidy, jejichž centra jsou od sebe v prostoru posunuta o hodnoty ΔX, ΔY, ΔZ, dále je třeba uvažovat náklon osy X o úhel a, osy Y o úhel b a osy Z o úhel ga závěrem “měřítkový” faktor q zohledňující relaci zploštění obou elipsoidů relací q=1+m, kde m je délkové měřítko. S ohledem na počet neznámých (tři posuny centra, tři úhlové rotace, jedna změna měřítka) se toto řešení označuje jako 7-prvková prostorová (3D) podobnostní Helmertova transformace, daná rovnicemi
Xout = (1+m) (Xin + g Yin - b Zin) + Δx
Yout = (1+m) (-g Xin + Yin +a Zin) + Δy
Zout = (1+m) (b Xin - a Yin + Zin) + Δz
Poznámka. V geodetické literatuře se posuny udávají v metrech, úhlové hodnoty stočení, které jsou velmi malé se udávají se v řádu vteřin, do vzorce se dosazují v radiánech, tj. je nutno je vydělit hodnotou 206264.8, zkreslení (změna měřítka) se udává v řádu 10-6 .
4.3 Transformace mezi geodetickými souřadnými systémy
Častou úlohou je znalost vstupních souřadnic X,Y např. v systému S-JTSK a požadavek na jejich přepočet např. do systému S-42. Zmíněnou úlohu lze řešit několika postupy. Oba systémy se liší zobrazením i elipsoidem. Lze zvolit dva postupy
- Přičtení diferencí (oprav) Δj, Δl, tj, jKrasovský = jBessel + Δj, lKrasovský = lBessel + Δl,
- Převod zeměpisných souřadnic [j,l]Krasovský na rovinné souřadnice [X,Y]s-42
- Neznámé hodnoty oprav Δj,
Δlse pro
zájmové území zjistí ze znalosti souboru identických bodů v obou
soustavách, tvořících transformační klíč, kde je vhodné aplikovat
polynomickou funkci 2. (kvadratická transformace) nebo 3. stupně (kubická
transformace). Volba vyššího stupně polynomu zpravidla již nepřináší
zvýšení přesnosti výpočtů, ale naopak často vede k numerické
nestabilitě řešení. Oblast transformačního klíče pokrývá celé
území republiky, či zvoleného souřadného pásu. Mimo tuto oblast
je použití této metody transformace nevhodné a může vést k matematicky
nepřesným výsledkům. Viz CIMBÁLNÍK [2],
či VEVERKA [ 8].
Tuto metodu používá software MATKART.
- Převod rovinných souřadnic [X,Y]s-jtsk na zeměpisné souřadnice [j,l]Bessel
- Převod zeměpisných souřadnic [j,l]Bessel na geocentrické souřadnice [X,Y,Z]Bessel
- Helmertova prostorová transformace [ X,Y,Z]Bessel ® [X,Y,Z]Krasovský
- Převod geocentrických souřadnic [X,Y,Z]Krasovský na zeměpisné souřadnice [j,l]Krasovský
- Převod zeměpisných souřadnic [j,l]Krasovský na rovinné souřadnice [X,Y]s-42
Kromě znalosti zobrazovacích rovnic je
především nutno znát hodnoty 7-mi parametrů Helmertovy transformace.
Ty lze získat z odborné literatury, jsou publikovány na webovských
stránkách. V optimálním případě jsou oficiálně poskytovány jako
úřední informace státních zeměměřických služeb. V jednodušším
případě se pro transformaci použijí pouze tři parametry posunu centra,
viz MADTRAN [5]
.
5. Systém MATKART
Jedná o komplexní výpočetní software dlouhodobě vyvíjený autorem článku. MATKART je komplex softwarových řešení orientovaný na potřeby digitální kartografie a geografických informačních systémů (GIS). MATKART má modulární stavbu a v současné době je z uživatelského hlediska tvořen třemi základními moduly. Modul TRANSFORMACE řeší zejména převody mezi různými souřadnými systémy v rovině i na ploše elipsoidu. Moduly ZM (Základní mapy) a TM (Topografické mapy) řeší výpočty v kladech listů středních měřítek státních mapových děl České republiky.
Obr. 3 Výpočetní protokol MATKARTu, nahoře předvolba výpočtu a vstup souřadnic, dole vypočtené hodnoty
MATKART byl vyvinut především pro potřeby digitální kartografie a GIS. Obsahuje proto především globální řešení, tj. taková, kde jedním matematickým vztahem, byť mnohdy značně složité konstrukce, řešíme výpočetní úkony na libovolném místě České republiky. S tím souvisí limitní přesnost výpočtů, která se pohybuje v rozmezí decimetrů až metrů, tj. nepřesáhne hodnoty, které by byly graficky významné, např. v nejpodrobnější topografické mapě měřítka 1:10 000. Jádrem systému MATKART je programová jednotka čítající několik tisíc programových instrukcí a desítky podprogramů a funkcí. Systém MATKART lze provozovat v operačním systému DOS i WINDOWS a zabudovávat do systému řízení prostorové datové báze GIS. Systém MATKART je v České republice používán desítkami uživatelů a je na různé úrovni implementace použit v programových a kartografických produktech např. ARCDATA , GEPRO, HSI, Geodézie Liberec (Geobáze), aj.
6. Systém MADTRAN
Jedná se o programové řešení sloužící pro přepočty souřadnicových systémů z lokálních geodetických datumů do WGS84 a zpět. Program MADTRAN (Mapping Datum Transformation) byl vytvořen opět především pro vojenské účely, cílem je rychlost a přehlednost výpočtů. Přesnost výpočtů je zpravidla v řádech metrů, uživatelský komfort při práci s programem není příliš vysoký, výsledky výpočtů však lze ukládat do souboru.
Obr. 4 Výstup z MADTRANu, nahoře předvolba,
dole výpočetní protokol
Softwareový systém MADTRAN je napsán v jazyce PowerBasic, první verze byla vytvořena v rámci americké vojenské topografické služby pod vedením DMA (Defence Mapping Agency, Fairfax, Virginia, USA). Jeho první aplikace byla použita ve vojenské operaci Storm Desert. V současné době lze podrobné informace o tomto programu, včetně jeho volného stažení z Internetu, nalézt na webovské stránce NIMA (National Imagery and Mapping Agency, Washington, USA). Program MADTRAN lze volně šířit, včetně dokumentace MADTRAN User´s Guide, rovněž obsažené na Internetu, obsahující podrobný návod k práci s programem.
Do MADTRANu lze vkládat pozici zájmového bodového prvku pomocí zeměpisných souřadnic (Global Position), souřadnicemi UTM nebo polohovým kódem hlásné sítě UTM. Místní souřadný systém (Local Datum) se vybírá z bohatého seznamu.
7. Závěr
Souřadnicové transformace užívané v GISech jsou zpravidla aplikovány pro data prostorově lokalizovaná na úrovni map středních měřítek, tj. v rozmezí 1:10 až 1:200 000, kde typickým měřítkem je 1:50 000. Připomeňme, že přesnost polohového obsahu topomap je cca 0,8 mm v měřítku mapy, tj. pro měřítko 1:10 000 hodnota 8 m. Tuto přesnost nabízené výpočetní programy MATKART i MADTRAN bohatě splňují, neboť pracují s přesností výpočtů v rozmezí 0,3 m – 3 m, v závislosti na použitém matematickém postupu. Zkušenosti s transformačními klíči pro příhraniční území České republiky a sousedních států uvádí FANTA[3] .
Na webu lze nalézt nabídku řady transformačních programů, některé z nich jsou nabízeny jako shareware, tj. lze je volně používat i šířit. Často se však spíše jedná o díla poloamatérských nadšenců než o solidní softwareovou podporu. K vyhledání zdrojů informací o geodetických datumech a kartografických projekcích se doporučuje použít vhodný internetovský vyhledávač se zadáním např. “Coordinate Transformations, ... Computations”, “Geodetic Datums”, “Cartographic Projections” aj.
Zájemcům o tuto problematiku se doporučují stránky CERCO a MERGIN, obsahující popis aktivit státních evropských zeměměřických služeb v oblasti digitální kartografie, GISů a vyšší geodézie. Za kvalitní webovské stránky možno považovat informace MAPREF-Stefan A. VOSER, Peter H. DANA z austinské university v Texasu, European Petroleum Survey Group aj. I když je Internet velmi cenný nástroj vyhledávání informací z oblasti jakékoli lidské činnosti, opět je vždy nutno kriticky hodnotit presentované informace a snažit se, aby každý získaný údaj byl ověřen minimálně ze dvou nezávislých zdrojů.
Literatura
[ 1] BUCHAR,P.-HOJOVEC,V.: Matematická kartografie. Praha, Vydavatelství ČVUT 1999.
[ 2]CIMBÁLNÍK,M.-MERVART.L.: Vyšší geodézie. Praha, Vydavatelství ČVUT 1997.
[ 3]FANTA,M.: Hurá do Evropy aneb návaznost tuzemských a zahraničních dat středních měřítek. Arc revue 1/2000, s.9-11. Praha, Arcdata Praha s.r.o. 2000.
[ 4]Kolektiv: Geodetické referenční systémy v České republice. Praha, VÚGTK Zdiby a VZÚ Praha 1998.
[ 5] MADTRAN User´s Guide. 9 s. USA Fairfax, National Imagery and Mapping Agency 1997.
[ 6]MATKART veze 2000. Informace pro uživatele. 22 s. Praha, GeoSoft 2000.
[ 7] MORAVEC,D.: Kartografické a geoinformatické modelování. Praha, Vydavatelství Karolinum Karlovy university (v tisku).
[ 8]VEVERKA,B.: Topografická a tematická kartografie 10. Praha, Vydavatelství ČVUT 2001.
Příspěvek byl zpracován za podpory výzkumného záměru MSM 210000007 : Komplexní inovace technologií v geodézii a kartografii.