8. Sisteme de Coordonate de Referință¶
Obiective: |
Să înțelegem Sistemele de Coordonate de Referință |
|
Cuvinte cheie: |
Sistemul de coordonate de referință (CRS), Proiecția Hărții, Proiecția „din zbor”, Latitudinea, Longitudinea, Nord, Est |
8.1. Prezentare generală¶
Map projections try to portray the surface of the earth, or a portion of the earth, on a flat piece of paper or computer screen. In layman’s term, map projections try to transform the earth from its spherical shape (3D) to a planar shape (2D).
A coordinate reference system (CRS) then defines how the two-dimensional, projected map in your GIS relates to real places on the earth. The decision of which map projection and CRS to use depends on the regional extent of the area you want to work in, on the analysis you want to do, and often on the availability of data.
8.2. Proiecția hărții în detaliu¶
O metodă tradițională de a reprezenta forma Pământului este utilizarea globurilor. Există, totuși, o problemă cu această abordare. Deși globurile au, în general, forma Pământului și ilustrează configurația spațială a entităților de mărimea unui continent, ele sunt foarte greu de cărat în buzunarul cuiva. Acestea sunt, de asemenea, convenabil de utilizat la scări extrem de mici (de exemplu, 1:100 de milioane).
Cele mai multe dintre datele hărților tematice, frecvent utilizate în aplicațiile GIS, au o scară mult mai mare. Seturile de date GIS tipice au scări de 1: 250 000 sau mai mult, în funcție de nivelul de detaliere. Un glob de această dimensiune ar fi dificil și costisitor de produs, și chiar mult mai dificil de transportat. Ca rezultat, cartografii au dezvoltat un set de tehnici denumite proiecții de hartă, concepute pentru a afișa în două dimensiuni, cu o precizie rezonabilă, pământul sferic.
Atunci când este privit de aproape, pământul pare să fie relativ plat. Cu toate acestea, atunci când este privit din spațiu, putem vedea că pământul este relativ sferic. Hărțile, așa cum vom vedea în viitorul subiect de producție a hărților, sunt reprezentări ale realității. Acestea sunt concepute pentru a reprezenta nu numai entități, ci, de asemenea, forma și aranjarea lor în spațiu. Fiecare proiecție de hartă are atât avantaje cât și dezavantaje. Cea mai bună proiecție pentru o hartă depinde de scara hărții, și de scopurile în care va fi utilizată. De exemplu, o proiecție poate avea distorsiuni inacceptabile dacă este folosit pentru a cartografia întreg continentul african, dar poate fi o alegere excelentă pentru o hartă la scară largă (detaliată) a țării dumneavoastră. Proprietățile unei proiecții de hartă pot influența unele dintre funcțiile de proiectare ale hărții. Unele proiecții sunt bune pentru zonele mici, altele sunt bune pentru cartografierea zonelor cu o mare extindere pe direcția Est-Vest, iar altele sunt mai bune pentru cartografierea zonelor cu o mare extindere pe direcția Nord-Sud.
8.3. Cele trei familii ale proiecțiilor hărții¶
Procesul de creare a proiecțiilor de hartă poate fi vizualizat prin poziționarea unei surse de lumină în interiorul unui glob transparent, pe care sunt plasate entitățile opace ale pământului. Apoi, se proiectează contururile entităților pe o foaie bidimensională, plată, de hârtie. Pot exista diferite moduri de proiecție, prin înconjurarea globului cu o formă cilindrică, cu un con, sau chiar cu o suprafață plană. Fiecare dintre aceste metode produce ceea ce se numește o familie de proiecții ale hărții. De aceea, există o familie de proiecții planare, o familie de proiecții cilindrice, și un alta numită ** proiecții conice** (vedeți figure_projection_families)
Astăzi, desigur, procesul de proiectare a pământului sferic pe o bucată de hârtie plată, se face folosind principiile matematice ale geometriei și trigonometriei. Aceasta recreează proiecția fizică a luminii printr-un glob.
8.4. Acuratețea proiecțiilor hărții¶
Proiecțiile de hartă nu sunt reprezentări absolut precise ale pământului sferic. Ca rezultat al procesului de proiecție, fiecare hartă arată distorsiunea de conformitate unghiulară, distanța și aria. O proiecție de hartă poate combina mai multe dintre aceste caracteristici, sau poate reprezenta un compromis care denaturează toate proprietățile unei zone, distanța și conformitatea unghiulară, în unele limite acceptabile. Două exemple de compromis de proiecție sunt Proiecția Winkel Tripel și Proiecția Robinson (a se vedea figure_robinson_projection), care sunt adesea folosite pentru hărțile lumii.
De obicei, este imposibil să păstrăm simultan toate caracteristicile unei proiecții de hartă. Acest lucru înseamnă că, atunci când doriți să efectuați operațiuni de analiză precise, trebuie să utilizați o proiecție de hartă care oferă cele mai bune caracteristici pentru analize. De exemplu, dacă aveți nevoie de măsurarea distanțelor pe hartă, ar trebui să încercați să utilizați o proiecție de hartă care cooferă mai multă precizie distanțelor.
8.4.1. Proiecții de hartă cu conformitate unghiulară¶
Atunci când se lucrează cu un glob, principalele direcții ale busolei (Nord, Est, Sud și Vest) se vor afla întotdeauna la 90 de grade una față de cealaltă. Cu alte cuvinte, Estul va fi situat întotdeauna la un unghi de 90 de grade față de nord. De asemenea, menținerea proprietăților unghiulare corecte pot fi păstrate și pe o proiecție a hărții. O proiecție a hărții care păstrează această proprietate de conformitate unghiulară se numește conformă sau ortomorfică.
Aceste proiecții sunt utilizate atunci când păstrarea relațiilor unghiulare este importantă. Ele sunt frecvent utilizate pentru activități de navigație sau meteorologice. Este important să ne amintim că menținerea unghiurilor reale pe o hartă este dificilă pentru suprafețe mari, și ar trebui să fie încercată doar pentru porțiuni mici de pe pământ. Tipul conform de proiecție duce la denaturarea zonei, ceea ce înseamnă că în cazul în care măsurătorile sunt efectuate pe hartă, ele vor fi incorecte. Cu cât mai mare este zona, cu atât mai puțin precise vor fi măsurătorile suprafeței. Exemple sunt Proiecția Mercator (așa cum se arată în figure_mercator_projection) și Proiecția conică conformă Lambert. US Geological Survey foloseste o proiecție conformă pentru multe dintre hărțile sale topografice.
8.4.2. Proiecții de hartă cu distanță egală¶
În cazul în care obiectivul dvs., la proiectarea unei hărți, este de a măsura cu precizie distanțele, trebuie să selectați o proiecție care este indicată pentru a păstra bine distanțele. Astfel de proiecții, denumite echidistante, necesită ca scara hărții să fie menținută constantă. O hartă este echidistantă atunci când reprezintă corect distanțele de la centrul de proiecție înspre orice alt loc de pe hartă. Proiecțiile echidistante mențin distanțele exacte din centrul proiecției, sau pe cele aflate de-a lungul liniilor date. Aceste proiecții sunt utilizate pentru cartografiere radio și seismică, și pentru navigare. Plate Carree Equidistant Cylindrical (a se vedea figure_plate_caree_projection) și Proiecția echirectangulară sunt două exemple bune de proiecții echidistante. Proiecția Echidistantă Azimutală este proiecția folosită sub emblema Organizației Națiunilor Unite (a se vedea figure_azimuthal_equidistant_projection).
8.4.3. Proiecții cu arii egale¶
Când o hartă descrie ariile de pe întreaga hartă, astfel încât toate zonele cartografiate să aibă aceeași relație proporțională cu zonele de pe Pământ pe care le reprezintă, aceasta este o hartă a suprafețelor egale. În practică, hărțile de referință generală și cele educaționale necesită, cel mai adesea, utilizarea unor proiecții cu suprafețe egale. Așa cum sugerează și numele, aceste hărți sunt cel mai bine utilizate atunci când calculul suprafețelor este predominant. Dacă, de exemplu, încercați să analizați o anumită zonă din orașul dvs, pentru a afla dacă aceasta este suficient de mare pentru un nou centru comercial, proiecțiile cu suprafețe egale sunt cea mai bună alegere. Pe de o parte, cu cât este mai mare zona pe care o analizați, cu atât mai precise vor fi măsurătorile dvs., dacă utilizați o proiecție cu suprafețe egale în detrimentul altui tip. Pe de altă parte, proiecțiile cu suprafețe egale dau distorsiuni de conformitate unghiulară atunci când se folosesc arii mari. Ariile mici vor fi mult mai puțin predispuse la a avea unghiuri distorsionate, în cazul utilizării unei proiecții a suprafețelor egale. Proiecțiile Alber’s equal area, Lambert’s equal area și Mollweide Equal Area Cylindrical projections (prezentate în figure_mollweide_equal_area_projection) sunt tipuri de proiecții cu suprafețe egale, adesea întâlnite în activitățile GIS.
Rețineți că proiecția hărții este un subiect foarte complex. Există sute de proiecții diferite, disponibile global, fiecare încercând să prezinte, pe o bucată de hârtie plată, o anumită parte din suprafața pământului, cât mai fidel posibil. În realitate, alegerea proiecției care se va utiliza, va rămâne în sarcina dvs. Cele mai multe țări folosesc proiecții comune, iar atunci când datele sunt transmise altor persoane, acestea vor urma trendul național.
8.5. Sistemul de coordonate de referinţă (CRS) în detaliu¶
Cu ajutorul Sistemelor de Coordonate de Referință (CRS) fiecare loc de pe pământ poate fi specificat printr-un set de trei numere, numite coordonate. În general, CRS-urile pot fi împărțite în Sisteme de Coordonate de Referință Proiectate (de asemenea, denumite sisteme de coordonate de referință carteziene sau dreptunghiulare) și Sisteme de Coordonate de Referință Geografice.
8.5.1. Sisteme de coordonate geografice¶
Folosirea Sistemelor de Coordonate de Referință Geografice este foarte frecventă. Ele folosesc grade de latitudine și longitudine și, uneori, o valoare pentru înălțime, pentru a descrie o locație de pe suprafața pământului. Cel mai populare este denumit WGS 84.
Liniile de latitudine sunt situate paralel cu ecuatorul și împart pământul în 180 de secțiuni, distanțate în mod egal de la Nord la Sud (sau de la Sud la Nord). Linia de referință pentru latitudine este ecuatorul și fiecare emisferă este împărțită în nouăzeci de secțiuni, fiecare reprezentând un grad de latitudine. În emisfera nordică, gradele de latitudine sunt măsurate de la zero, la ecuator, la nouăzeci, la Polul Nord. În emisfera sudică, gradele de latitudine sunt măsurate de la zero, la ecuator, la nouăzeci de grade, la Polul Sud. Pentru a simplifica digitalizarea hărții, gradelor de latitudine din emisfera sudică le sunt adesea atribuite valori negative (de la 0 la -90°). Oriunde vă aflați pe suprafața pământului, distanța dintre liniile de latitudine este aceeași (60 de mile marine). Vedeți figure_geographic_crs pentru exemplificare.
Liniile de longitudine, pe de altă parte, nu corespund prea bine standardului de uniformitate. Liniile de longitudine sunt perpendiculare pe ecuator și converg către poli. Linia de referință pentru longitudine (primul meridian) merge de la Polul Nord la Polul Sud, trecând prin Greenwich, Anglia. Liniile celelalte de longitudine sunt măsurate de la zero la 180 de grade, la Est sau la Vest de primul meridian. Rețineți faptul că valorilor situate la Vest de primul meridian, le sunt atribuite valori negative pentru utilizarea în aplicații de cartografiere digitală. Vedeți figure_geographic_crs pentru exemplificare.
La ecuator, și numai la ecuator, distanța reprezentată de o linie de longitudine este egală cu distanța reprezentată de un grad de latitudine. Pe măsură ce ne îndreptăm spre poli, distanța dintre liniile de longitudine devine progresiv mai mică, până când, la locația exactă a polului, toate cele 360° de longitudine sunt reprezentate printr-un singur punct care se poate atinge cu degetul (probabil că ar trebui să purtați mănuși, totuși). Sistemele de coordonate geografice folosesc o grilă cu linii de divizare a pământului în caroiaje, care acoperă aproximativ 12363.365 km pătrați la ecuator — un început bun, dar nu foarte util pentru determinarea amplasamentului unui reper în interiorul acestui perimetru.
Pentru a fi cu adevărat utilă, grila unei hărți trebuie să fie împărțită în secțiuni suficient de mici, astfel încât acestea să poată fi utilizate pentru a descrie (cu un nivel acceptabil de acuratețe) amplasarea unui punct de pe hartă. Pentru a realiza acest lucru, gradele sunt împărțite în minute ('
) și secunde ("
). Într-un grad sunt șaizeci de minute, iar într-un minut sunt șaizeci de secunde (3600 secunde într-un grad). Deci, la ecuator, o secundă de latitudine sau longitudine = 30.87624 metri.
8.5.2. Sisteme de Coordonate de Referință Proiectate¶
Un sistem de coordonate de referință bi-dimensional este, de obicei, definit de două axe. La unghi drept una față de cealaltă, ele formează un așa numit plan-XY (a se vedea figure_projected_crs în partea stângă). Axa orizontală este în mod normal etichetată cu X, iar axa verticală cu Y. Într-un sistem de coordonate de referință tridimensional, se adaugă o altă axă, etichetată în mod normal cu Z. De asemenea, ea se află este în unghi drept față de axele X și Y. Axa Z oferă cea de-a treia dimensiune a spațiului (a se vedea figure_projected_crs în partea dreaptă). Fiecare punct aflat în coordonate sferice poate fi exprimat în coordonate XYZ.
Un sistem de coordonate de referință proiectat în emisfera sudică (la sud de ecuator) are, în mod normal, originea pe ecuator, la o anumită Longitudine. Acest lucru înseamnă că valorile-Y cresc înspre sud, iar valorile-X înspre vest. În emisfera nordică (la nord de Ecuator) originea este, de asemenea pe ecuator, la o anumită Longitudine. Cu toate acestea, acum valorile-Y cresc înspre nord, iar valorile-X înspre est. În secțiunea următoare, vom descrie un sistem de coordonate de referință proiectat, numit Universal Transverse Mercator (UTM), folosit adesea pentru Africa de Sud.
8.6. CRS-ul Universal Transverse Mercator (UTM) în detaliu¶
The Universal Transverse Mercator (UTM) coordinate reference system has its origin on the equator at a specific Longitude. Now the Y-values increase southwards and the X-values increase to the West. The UTM CRS is a global map projection. This means, it is generally used all over the world. But as already described in the section «accuracy of map projections» above, the larger the area (for example South Africa) the more distortion of angular conformity, distance and area occur. To avoid too much distortion, the world is divided into 60 equal zones that are all 6 degrees wide in longitude from East to West. The UTM zones are numbered 1 to 60, starting at the antimeridian (zone 1 at 180 degrees West longitude) and progressing East back to the antemeridian (zone 60 at 180 degrees East longitude) as shown in figure_utm_zones.
Așa cum se vede în figure_utm_zones și figure_utm_for_sa, Africa de Sud este acoperită de patru Zone UTM, pentru a minimiza distorsionările. Zonele se numesc UTM 33S, UTM 34S, UTM 35S și UTM 36S. S-ul din denumire indică faptul că zonele sunt localizate la sud de ecuator.
Să spunem că, de exemplu, vrem să definim o coordonată bidimensională în cadrul Ariei de Interes (AOI), marcată cu o cruce roșie în figure_utm_for_sa. Puteți vedea, că zona se află în zona UTM 35S. Acest lucru înseamnă că, pentru a minimiza denaturarea și pentru a obține rezultate precise de analiză, ar trebui să folosim zona UTM 35S ca sistem de coordonate de referință.
Poziția unei coordonate în UTM la sud de ecuator trebuie să fie indicată de numărul zonei (35), de valoarea sa nordică (Y) și de valoarea sa estică (X) în metri. Valoarea nordică reprezintă distanța față de Ecuator, în metri. Valoarea estică reprezintă distanța față de meridianul central (longitudinea) al zonei UTM utilizate. Pentru UTM, zona 35S se află la 27 de grade Est, așa cum se arată în figure_utm_for_sa. Mai mult decât atât, pentru că suntem la sud de ecuator, iar valorile negative nu sunt permise în sistemul de coordonate de referință UTM, trebuie să adăugăm o așa numită valoarea de Nord fals, de 10 milioane m față de valoarea nordică (Y) și la 500.000 m față de valoarea sa estică (X). Aceste lucruri sună dificil, așa că vom prezenta un exemplu care vă arată cum să găsiți coordonatele UTM 35S corecte pentru Aria de Interes.
8.6.1. Valoarea nordică (Y)¶
Locul pe care îl căutăm este situat la 3.550.000 metri la sud față de ecuator, astfel încât valoarea nordică (Y) va căpăta un semn negativ, ea devenind -3.550.000 m. În conformitate cu definițiile UTM trebuie să adăugați o valoare de nord fals de 10.000.000 m. Acest lucru înseamnă că valoarea nordică (Y) a coordonatei noastre este 6.450.000 m (-3.550.000 m + 10.000.000 m).
8.6.2. Valoarea estică (X)¶
Mai întâi, trebuie să găsim meridianul central (longitudinea) pentru zona UTM 35S. După cum putem vedea în figure_utm_for_sa acesta se situează la 27 de grade înspre Est. Locul pe care îl căutăm se află înspre Vest, la 85.000 de metri față de meridianul central. La fel ca și valoarea nordică, cea estică (X) va avea semnul negativ, rezultatul fiind de -85,000 m. În conformitate cu definițiile UTM trebuie să adăugați o valoare de est fals de 500.000 m. Acest lucru determină ca valoarea estică (x) a coordonatelor noastre să fie de 415.000 m (-85.000 m + 500.000 m). La final, trebuie să adăugați numărul zonei la valoarea estică, pentru a obține valoarea corectă.
Drept urmare, coordonatele Punctul Nostru de Interes **, proiectat în **zona UTM 35S ar trebui să fie scrise ca fiind: 35.415.000 m E / 6.450.000 m N. În unele aplicații GIS, atunci când zona UTM 35S este corect definită iar unitățile sunt setate în metri, conform sistemului, coordonatele ar putea apărea sub forma 415.000 6.450.000.
8.7. Proiecția Din-Zbor¶
După cum, probabil, vă imaginați, există situații în care datele pe care doriți să le utilizați într-un GIS, sunt proiectate în diverse sisteme de coordonate de referință. De exemplu, ați putea avea un strat vectorial care prezintă granițele Africii de Sud proiectate în UTM 35S, și un alt strat vectorial, de tip punct, cu informații despre cantitatea de precipitații, proiectat în sistemul de coordonate geografice WGS 84. În GIS aceste două straturi vectoriale sunt plasate în zone total diferite ale canevasului, deoarece au proiecții diferite.
To solve this problem, many GIS include a functionality called on-the-fly projection. It means, that you can define a certain projection when you start the GIS and all layers that you then load, no matter what coordinate reference system they have, will be automatically displayed in the projection you defined. This functionality allows you to overlay layers within the map window of your GIS, even though they may be in different reference systems. In QGIS, this functionality is applied by default.
8.8. Probleme comune / lucruri de care trebuie să fiți conștienți¶
Subiectul proiecției de hărți este foarte complex, și nu rareori înșiși profesioniștii care au studiat geografia, geodezia sau o altă știință legată de GIS, au probleme cu definirea corectă a proiecțiilor pentru hărți și a sistemelor de coordonate de referință. De obicei, atunci când lucrați în GIS, datele de care dispuneți au deja o proiecție. În cele mai multe cazuri, aceste date sunt proiectate chiar în CRS-ul de care aveți nevoie, astfel încât nu va trebui să creați un nou sistem de referință sau să reproiectați datele dintr-un sistem în altul. Cu toate acestea, este întotdeauna util să aveți o idee despre ceea ce reprezintă proiecția hărții și CRS-ul.
8.9. Ce am învățat?¶
Să recapitulăm subiectele abordate în acest capitol:
Proiecțiile hărții reprezintă suprafața pământului bi-dimensional, pe o foaie de hârtie sau pe ecranul computerului.
Există proiecții pentru harta întregului glob, dar cele mai multe proiecții sunt create și optimizate pentru proiecția unor zone mai mici de pe suprafața pământului.
Proiecțiile de hartă nu sunt reprezentări absolut precise ale pământului sferic. Ele prezintă denaturări de conformitate unghiulară, de distanță și de suprafață. Este imposibilă păstrarea tuturor acestor caracteristici, în același timp, într-o proiecție de hartă.
Un Sistem de Coordonate de Referință (CRS) definește, cu ajutorul coordonatelor, modul în care harta proiectată bi-dimensional, este legată de locațiile reale de pe Terra.
Există două tipuri diferite de sisteme de coordonate de referință: Sisteme de Coordonate Geografice și Sisteme de Coordonate Proiectate.
Proiecția „Din zbor” este o funcționalitate în GIS, care permite suprapunerea straturilor, chiar dacă acestea sunt proiectate în sisteme de coordonate de referință diferite.
8.10. Încercați acum!¶
Aici sunt câteva idei care pot fi testate împreună cu elevii dumneavoastră:
Start QGIS
In No projection (or unknown/non-Earth projection)
checkLoad two layers of the same area but with different projections
Let your pupils find the coordinates of several places on the two layers. You can show them that it is not possible to overlay the two layers.
Then define the coordinate reference system as Geographic/WGS 84 inside the Project Properties dialog
Load the two layers of the same area again and let your pupils see how setting a CRS for the project (hence, enabling „on-the-fly” projection) works.
You can open the Project Properties dialog in QGIS and show your pupils the many different Coordinate Reference Systems so they get an idea of the complexity of this topic. You can select different CRSs to display the same layer in different projections.
8.11. De reținut¶
Dacă nu dispuneți de un calculator puteți prezenta studenților principiile celor trei familii de proiecții pentru hărți. Luați un glob și hârtie, apoi demonstrați modul în care lucrează proiecțiile cilindrice, conice și plane, în general. Cu ajutorul unei foi transparente se poate desena un sistem de referință care arată axele X și Y ale unui sistem de coordonate bi-dimensional. Apoi, lăsați studenții să definească coordonatele (valorile X și Y) pentru diverse locuri.
8.12. Lecturi suplimentare¶
Cărți:
Chang, Kang-Tsung (2006). Introducere în sistemele de informații geografice. A 3-a ediție. McGraw Hill. ISBN: 0070658986
DeMers, Michael N. (2005). Bazele Sistemelor de Informații Geografice. A 3-a ediție. Wiley. ISBN: 9814126195
Galati, Stephen R. (2006): Sistemele de Informații Geografice Demistificate. Artech House Inc. ISBN: 158053533X
Site-uri web:
https://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj_f.html
https://geology.isu.edu/wapi/geostac/Field_Exercise/topomaps/index.htm
Ghidul utilizatorului QGIS conține, de asemenea, mai multe informații detaliatedespre proiecțiile hărților din QGIS.
8.13. Ce urmează?¶
În secțiunea care urmează, vom arunca o privire mai atentă la Producerea Hărții.