نظام الإحداثيات المسقطة

الموسوعة الحرة
تخطيط نظام إحداثيات UTM.

نظام الإحداثيات المسقطة - ويُسمى أيضًا نظام الإحداثيات المرجعية المسقطة ، أو نظام الإحداثيات المستوية ، أو نظام الإحداثيات الشبكية - هو نوع من أنظمة الإسناد المكاني التي تُمثل المواقع على سطح الأرض باستخدام الإحداثيات الديكارتية ( س ، ص ) على سطح مستوٍ مُنشأ بواسطة إسقاط خريطة مُحدد . [ 1 ] يُحدد كل نظام إحداثيات مسقطة، مثل "نظام الإحداثيات العالمي المستعرض ميركاتور WGS 84 المنطقة 26 شمالًا"، من خلال اختيار إسقاط الخريطة (بمعايير مُحددة)، واختيار المرجع الجيوديسي لربط نظام الإحداثيات بالمواقع الحقيقية على سطح الأرض، ونقطة الأصل، واختيار وحدة القياس. [ 2 ] وقد تم تحديد مئات من أنظمة الإحداثيات المسقطة لأغراض مُختلفة في مناطق مُتعددة.  

عندما تم إنشاء أنظمة الإحداثيات المعيارية الأولى خلال القرن العشرين، مثل نظام الإحداثيات العالمي المستعرض ميركاتور ، ونظام إحداثيات المستوى الحكومي ، والشبكة الوطنية البريطانية ، كانت تُعرف عادةً باسم أنظمة الشبكة ؛ ولا يزال هذا المصطلح شائعًا في بعض المجالات، مثل المجال العسكري الذي يُشفّر الإحداثيات كمراجع شبكية أبجدية رقمية . ومع ذلك، فقد أصبح مصطلح نظام الإحداثيات المسقطة هو السائد مؤخرًا لتمييزه بوضوح عن أنواع أنظمة المراجع المكانية الأخرى . يُستخدم هذا المصطلح في المعايير الدولية مثل EPSG وISO 19111 (التي نشرها أيضًا اتحاد Open Geospatial Consortium باسم Abstract Specification 2)، وفي معظم برامج نظم المعلومات الجغرافية . [ 3 ] [ 2 ]

تاريخ

خريطة AMS لعام 1954 لجزء من منطقة أكساي تشين المتنازع عليها ، تظهر شبكة MGRS باللون الأزرق.

يعود تاريخ إسقاط الخرائط ونظام الإحداثيات الجغرافية (خطوط الطول والعرض) إلى العصر الهلنستي ، وانتشرا على نطاق واسع خلال عصر التنوير في القرن الثامن عشر. ومع ذلك، فإن استخدامهما كأساس لتحديد المواقع بدقة، بدلاً من خطوط الطول والعرض، يُعد ابتكاراً من ابتكارات القرن العشرين.

كان من بين أوائل هذه الأنظمة نظام إحداثيات المستوى الحكومي (SPCS)، الذي طُوّر في الولايات المتحدة خلال ثلاثينيات القرن العشرين لأغراض المسح والهندسة، لأن حسابات مثل المسافة أبسط بكثير في نظام الإحداثيات الديكارتية مقارنةً بحسابات المثلثات ثلاثية الأبعاد في نظام الإحداثيات العالمي (GCS). وفي المملكة المتحدة ، صدرت النسخة الأولى من الشبكة الوطنية البريطانية عام 1938، استنادًا إلى تجارب سابقة أجراها الجيش وهيئة المساحة البريطانية خلال الحرب العالمية الأولى . [ 4 ]

خلال الحرب العالمية الثانية ، تطلبت ممارسات الحرب الحديثة من الجنود قياس مواقعهم والإبلاغ عنها بسرعة ودقة، مما أدى إلى طباعة شبكات على الخرائط من قِبل دائرة الخرائط التابعة للجيش الأمريكي (AMS) وجهات قتالية أخرى. [ 5 ] في البداية، رُسمت خريطة لكل مسرح حرب بإسقاط مخصص مع شبكته ونظام ترميز خاص به، لكن هذا أدى إلى ارتباك. أدى ذلك إلى تطوير نظام الإحداثيات العالمي المستعرض ميركاتور (UTM) ، والذي يُحتمل أنه مُقتبس من نظام طوره الجيش الألماني (الفيرماخت) . [ 6 ] ولتسهيل الإبلاغ الواضح، تم إنشاء نظام الإحداثيات العسكرية الرقمية (MGRS) كنظام ترميز لإحداثيات UTM لتسهيل تبادلها. [ 5 ]

بعد الحرب، اكتسب نظام الإحداثيات العالمي (UTM) شعبية متزايدة، لا سيما في الأوساط العلمية. ولأن مناطق UTM لا تتطابق مع الحدود السياسية، فقد حذت عدة دول حذو المملكة المتحدة في إنشاء أنظمة إحداثيات وطنية أو إقليمية خاصة بها، تعتمد على إسقاطات مخصصة. وانتشر استخدام هذه الأنظمة وتطويرها بشكل ملحوظ خلال ثمانينيات القرن الماضي مع ظهور نظم المعلومات الجغرافية (GIS). تتطلب نظم المعلومات الجغرافية تحديد المواقع بإحداثيات دقيقة، وتُجري عليها حسابات عديدة، مما جعل الهندسة الديكارتية مفضلة على حساب المثلثات الكروية عندما كانت القدرة الحاسوبية محدودة. في السنوات الأخيرة، أدى ازدياد مجموعات بيانات نظم المعلومات الجغرافية العالمية، وتطور الملاحة عبر الأقمار الصناعية ، إلى جانب وفرة سرعة المعالجة في الحواسيب الشخصية، إلى عودة استخدام أنظمة الإحداثيات الأرضية (GCS). ومع ذلك، لا تزال أنظمة الإحداثيات المسقطة شائعة جدًا في بيانات نظم المعلومات الجغرافية المخزنة في البنى التحتية للبيانات المكانية (SDI) للمناطق المحلية، مثل المدن والمقاطعات والولايات والمحافظات، والدول الصغيرة.

مواصفات النظام

لأن الغرض من أي نظام إحداثيات هو قياس المواقع وتوصيلها وإجراء الحسابات عليها بدقة ووضوح، فلا بد من تعريفه بدقة. تُعد مجموعة بيانات المعلمات الجيوديسية EPSG الآلية الأكثر شيوعًا لنشر هذه التعريفات بصيغة قابلة للقراءة آليًا، وتشكل أساسًا للعديد من برامج نظم المعلومات الجغرافية (GIS) وغيرها من البرامج التي تعتمد على الموقع. [ 3 ] يتكون مواصفات نظام الإحداثيات المرجعية (SRS) من ثلاثة أجزاء:

  • نظام إحداثيات ديكارتية ثنائي الأبعاد مجرد يسمح بقياس كل موقع كزوج ( س ، ص )، والذي يُطلق عليه أيضًا الإحداثي الشرقي والإحداثي الشمالي في العديد من الأنظمة مثل نظام الإحداثيات العالمي (UTM). يجب أن يتضمن أي تعريف لنظام الإحداثيات سطحًا مستويًا، ونقطة أصل، ومجموعة من المحاور المتعامدة لتحديد اتجاه كل قياس، ووحدة قياس (عادةً المتر أو القدم الأمريكية ).
  • اختيار إسقاط الخريطة الذي يُنشئ سطحًا مستويًا لنظام الإحداثيات المرتبط بمواقع على سطح الأرض. بالإضافة إلى نوع الإسقاط العام (مثل إسقاط لامبرت المخروطي المطابق ، أو إسقاط ميركاتور المستعرض )، يُحدد تعريف نظام الإحداثيات المعايير المستخدمة، مثل نقطة المركز، وخطوط العرض القياسية، ومعامل المقياس، ونقطة الأصل الوهمية، وما إلى ذلك. باستخدام هذه المعايير، تُحوّل الصيغ الأساسية للإسقاط خطوط الطول والعرض مباشرةً إلى إحداثيات ( س ، ص ) للنظام.
  • يُتيح اختيار المرجع الجيوديسي تحديد شكل الأرض الإهليلجي . ويربط هذا نظام الإحداثيات بالمواقع الفعلية على سطح الأرض من خلال التحكم في إطار قياس خطوط الطول والعرض (نظام الإحداثيات العالمي). وبالتالي، سيكون هناك فرق ملحوظ بين إحداثيات موقع ما في نظام "UTM NAD83 المنطقة 14 شمالًا" وإحداثيات الموقع نفسه في نظام "UTM NAD27 المنطقة 14 شمالًا"، على الرغم من تطابق صيغ UTM، وذلك لاختلاف قيم خطوط الطول والعرض الأساسية. في بعض برامج نظم المعلومات الجغرافية، يُطلق على هذا الجزء من التعريف اسم اختيار نظام إحداثيات جغرافي محدد.

التوقعات

لتحديد موقع جغرافي على الخريطة ، يُستخدم إسقاط الخريطة لتحويل الإحداثيات الجيوديسية إلى إحداثيات مستوية؛ حيث يُسقط الإحداثيات الإهليلجية المرجعية والارتفاع على سطح مستوٍ للخريطة. وتُستخدم هذه الإحداثيات المرجعية، بالإضافة إلى إسقاط الخريطة المطبق على شبكة من المواقع المرجعية، لإنشاء نظام شبكي لرسم المواقع. وتُفضل الإسقاطات المطابقة عمومًا. ومن بين إسقاطات الخرائط الشائعة: إسقاط ميركاتور المستعرض (المستخدم في نظام الإحداثيات العالمي المستعرض ميركاتور ، والشبكة الوطنية البريطانية ، ونظام الإحداثيات المستوية لبعض الولايات)، وإسقاط لامبرت المخروطي المطابق (بعض الولايات في نظام الإحداثيات المستوية السويسري )، وإسقاط ميركاتور ( نظام الإحداثيات السويسري ).

تعتمد معادلات إسقاط الخرائط على هندسة الإسقاط، بالإضافة إلى معايير تعتمد على الموقع المحدد الذي تُسقط عليه الخريطة. وتختلف مجموعة هذه المعايير باختلاف نوع الإسقاط والاصطلاحات المختارة له. بالنسبة لإسقاط مركاتور المستعرض المستخدم في نظام الإحداثيات العالمي (UTM)، فإن المعايير المرتبطة به هي خط العرض وخط الطول للأصل الطبيعي، والإحداثيات الشمالية والشرقية الزائفة، ومعامل المقياس العام. [ 7 ] ونظرًا للمعايير المرتبطة بموقع أو اتجاه معين، فإن معادلات إسقاط مركاتور المستعرض تُشكل مزيجًا معقدًا من الدوال الجبرية والمثلثية. [ 7 ] : 45-54

الشرق والشمال

لكل إسقاط خريطة نقطة أصل طبيعية ، مثلاً، نقطة تطابق سطحي الخريطة البيضاوي والمسطح، وعندها تُنتج معادلات الإسقاط إحداثيات (0,0). [ 7 ] ولضمان عدم كون إحداثيات الشمال والشرق على الخريطة سالبة (مما يُسهّل القياس والتواصل والحساب)، قد تُحدد إسقاطات الخرائط نقطة أصل وهمية ، مُحددة بقيم وهمية للشمال والشرق ، تُزيح نقطة الأصل الحقيقية. على سبيل المثال، في نظام الإحداثيات العالمي UTM، تقع نقطة أصل كل منطقة شمالية على خط الاستواء على بُعد 500 كم غرب خط الزوال المركزي للمنطقة (تقع حافة المنطقة نفسها على بُعد أقل من 400 كم غرباً). وهذا يُؤدي إلى جعل جميع الإحداثيات داخل المنطقة موجبة، كونها تقع شرق وشمال نقطة الأصل. ولهذا السبب ، يُشار إليها غالباً بالإحداثيات الشرقية والشمالية .  

الشبكة الشمالية

الشمال الشبكي ( GN ) مصطلح ملاحي يشير إلى الاتجاه شمالاً على طول خطوط الشبكة في إسقاط الخريطة . ويُقابله الشمال الحقيقي (اتجاه القطب الشمالي ) والشمال المغناطيسي (الاتجاه الذي تشير إليه إبرة البوصلة). تُوضح العديد من الخرائط الطبوغرافية ، بما في ذلك خرائط هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية وهيئة المسح الجيولوجي البريطانية ، الفرق بين الشمال الشبكي والشمال الحقيقي والشمال المغناطيسي. [ 8 ]

تقسم خطوط الشبكة على خرائط هيئة المساحة البريطانية المملكة المتحدة إلى مربعات طول ضلعها كيلومتر واحد، شرق نقطة صفر وهمية في المحيط الأطلسي، وغرب كورنوال. تشير خطوط الشبكة إلى شمال الشبكة، الذي يختلف قليلاً عن الشمال الحقيقي. هذا الاختلاف يساوي صفرًا على خط الزوال المركزي (خط الشمال-الجنوب) للخريطة، والذي يقع على بعد درجتين غرب خط غرينتش ، ويكون أكبر ما يمكن عند حواف الخريطة. الفرق بين شمال الشبكة والشمال الحقيقي ضئيل جدًا ويمكن تجاهله في معظم أغراض الملاحة. ويعود هذا الاختلاف إلى أن التطابق بين الخريطة المسطحة والأرض الكروية ليس مثاليًا بالضرورة.

في القطب الجنوبي ، يشير الشمال الشبكي عادةً إلى الشمال على طول خط غرينتش . [ 9 ] ولأن خطوط الطول تتقارب عند القطبين، فإن اتجاهي الشرق والغرب الحقيقيين يتغيران بسرعة في حالة مشابهة لظاهرة قفل جيمبال . يحل الشمال الشبكي هذه المشكلة.

ترميزات مرجع الشبكة

تُقاس المواقع في نظام إحداثيات إسقاطي، كما هو الحال في أي نظام إحداثيات ديكارتية، وتُسجل كأزواج ( س ، ص ) شرقًا/شمالًا. يُمثل الزوج عادةً بشكل اصطلاحي بالبدء بالإحداثي الشرقي ثم الشمالي. على سبيل المثال، تقع قمة جبل أسينيبوين (عند خط عرض 50°52′10″ شمالًا وخط طول 115°39′03″ غربًا / 50.86944° شمالًا 115.65083° غربًا / 50.86944؛ -115.65083 على حدود مقاطعتي كولومبيا البريطانية وألبرتا في كندا ) في منطقة UTM 11 عند خط عرض 50°52′10″ شمالًا وخط طول 115°39′03″ غربًا ، مما يعني أنها تقع على بُعد 600 كيلومتر تقريبًا شرق نقطة الأصل الوهمية للمنطقة 11 (95 كيلومترًا شرق خط الزوال المركزي الحقيقي عند خط طول 117° غربًا) و5.6 مليون متر شمال خط الاستواء .(0594934mE, 5636174mN)

على الرغم من سهولة تخزين هذه الأرقام الدقيقة وحسابها في نظم المعلومات الجغرافية وقواعد البيانات الحاسوبية الأخرى، إلا أنها قد يصعب على البشر تذكرها ونقلها. لذا، ومنذ منتصف القرن العشرين، ظهرت ترميزات بديلة تختصر الأرقام أو تحولها إلى شكل من أشكال السلاسل الأبجدية الرقمية.

على سبيل المثال، يمكن استخدام إحداثيات شبكة مختصرة عندما يكون الموقع العام معروفًا مسبقًا للمشاركين ويمكن افتراضه. [ 10 ] ولأن الأرقام الأكثر أهمية (الأولى) تحدد الجزء من العالم، بينما توفر الأرقام الأقل أهمية (الثانية) دقة غير مطلوبة في معظم الحالات، فقد تكون غير ضرورية لبعض الاستخدامات. وهذا يسمح للمستخدمين بتقصير إحداثيات المثال عن 949-361طريق إخفاء 05nnn34 56nnn74الأرقام المهمة (3 و4 و5 في هذه الحالة)، بافتراض أن كلا الطرفين على دراية بها. [ 11 ]

تستخدم الترميزات الأبجدية الرقمية عادةً رموزًا لاستبدال الأرقام الأكثر أهمية بتقسيم العالم إلى مربعات شبكية كبيرة. على سبيل المثال، في نظام الإحداثيات الشبكية العسكرية (MGRS) ، تقع الإحداثية المذكورة أعلاه في الشبكة 11U (التي تمثل منطقة UTM 11 5xxxxxx mN)، والخلية الشبكية NS داخلها (التي تمثل الرقم الثاني 5xxxxxmE x6xxxxxm N)، ويتم الإبلاغ عن أي عدد من الأرقام المتبقية حسب الحاجة، مما ينتج عنه مرجع شبكة MGRS وهو 11U NS 949 361 (أو 11U NS 9493 3617 أو 11U NS 94934 36174).

خريطة نموذجية بخطوط شبكية

تستخدم شبكة الإحداثيات الوطنية التابعة لهيئة المساحة البريطانية ( المملكة المتحدة) وغيرها من أنظمة الشبكات الوطنية أساليب مماثلة. في خرائط هيئة المساحة البريطانية ، يُعطى كل خط من خطوط الشبكة (الشرقية والشمالية) رمزًا مكونًا من رقمين، استنادًا إلى نظام الإحداثيات الوطني البريطاني الذي تقع نقطة بدايته قبالة الساحل الجنوبي الغربي للمملكة المتحدة . تُقسّم المنطقة إلى  مربعات مساحتها 100 كيلومتر مربع، ويُرمز لكل مربع برمز مكون من حرفين. داخل كل  مربع مساحته 100 كيلومتر مربع، يُستخدم مرجع شبكي رقمي. بما أن المسافة بين خطي الإحداثيات الشرقية والشمالية كيلومتر واحد، فإن الجمع بين إحداثية شمالية وشرقية يُعطي مرجعًا شبكيًا مكونًا من أربعة أرقام يصف مربعًا مساحته كيلومتر مربع واحد على الأرض. ويُشار عادةً إلى الزاوية السفلية اليسرى للمربع المطلوب بأرقام المرجع الشبكي. في خريطة المثال أعلاه، تقع بلدة ليتل بلامبتون في المربع 6901، على الرغم من أن الكتابة التي تحدد البلدة موجودة في المربعين 6802 و6902، إلا أن معظم المباني (الرموز البرتقالية المربعة) تقع في المربع 6901.

دقة

كلما زاد عدد الأرقام المضافة إلى إحداثيات الشبكة، زادت دقتها. لتحديد موقع مبنى معين في ليتل بلامبتون، يُضاف رقمان إلى الإحداثيات المكونة من أربعة أرقام، ليصبح الإحداثيات مكونة من ستة أرقام. يصف الرقمان الإضافيان موقعًا داخل مربع طول ضلعه كيلومتر واحد. تخيل (أو ارسم أو ضع مخطط رومر ) شبكة إضافية 10×10 داخل مربع الشبكة الحالي. يمكن وصف أي من المربعات المئة في الشبكة الإضافية 10×10 بدقة باستخدام رقم من 0 إلى 9 (حيث يمثل 0 المربع السفلي الأيسر، و9 المربع العلوي الأيمن).

بالنسبة للكنيسة في ليتل بلامبتون، يُعطي هذا الرقمين 6 و7 (6 على المحور الشرقي من اليسار إلى اليمين، و7 على المحور الشمالي من الأسفل إلى الأعلى). يُضاف هذان الرقمان إلى مرجع الشبكة المكون من أربعة أرقام بعد الرقمين اللذين يصفان محور الإحداثيات نفسه ، وبذلك يصبح مرجع الشبكة المكون من ستة أرقام للكنيسة 696017. يصف هذا المرجع مربعًا أبعاده 100 متر × 100 متر، وليس نقطة واحدة، ولكن هذه الدقة عادةً ما تكون كافية لأغراض الملاحة. الرموز على الخريطة ليست دقيقة على أي حال، فعلى سبيل المثال، ستكون أبعاد الكنيسة في المثال أعلاه حوالي 100 × 200 متر إذا كان الرمز مرسومًا وفقًا للمقياس، لذا في الواقع، يُمثل منتصف المربع الأسود موقع الكنيسة الحقيقي على الخريطة، بغض النظر عن حجمها الفعلي.

يمكن تحديد إحداثيات الشبكة التي تتضمن أرقامًا أكبر للحصول على دقة أعلى باستخدام خرائط واسعة النطاق وجهاز رومر دقيق . قد يُستخدم هذا في المسح، ولكنه لا يُستخدم عادةً للملاحة البرية للمشاة أو راكبي الدراجات، وما إلى ذلك. يُتيح التوافر المتزايد وانخفاض تكلفة أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المحمولة تحديد إحداثيات الشبكة بدقة دون الحاجة إلى خريطة، ولكن من المهم معرفة عدد الأرقام التي يعرضها جهاز GPS لتجنب قراءة الأرقام الستة الأولى فقط. عادةً ما يُعطي جهاز GPS إحداثيات شبكة مكونة من عشرة أرقام، بناءً على مجموعتين من خمسة أرقام لقيم الإحداثيات الشرقية والشمالية. كل زيادة متتالية في الدقة (من 6 أرقام إلى 8 أرقام إلى 10 أرقام) تُحدد الموقع بدقة أكبر بمعامل 10. بما أن إحداثيات الشبكة المكونة من 6 أرقام، في المملكة المتحدة على الأقل، تُحدد مربعًا طول ضلعه 100 متر، فإن إحداثيات الشبكة المكونة من 8 أرقام تُحدد مربعًا طول ضلعه 10 أمتار، وإحداثيات الشبكة المكونة من 10 أرقام تُحدد مربعًا طول ضلعه متر واحد. من أجل إعطاء مرجع شبكي قياسي مكون من 6 أرقام من قراءة GPS مكونة من 10 أرقام، يجب حذف الأرقام 4 و5 و9 و10، لذلك من المهم عدم قراءة الأرقام الستة الأولى فقط.

أمثلة على نظام الإبلاغ المشترك المتوقع

مناطق UTM على خريطة عالمية مستطيلة متساوية الأبعاد مع مناطق غير منتظمة باللون الأحمر

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تشانغ، كانغ تسونغ (2016). مقدمة في نظم المعلومات الجغرافية (  الطبعة التاسعة). ماكجرو هيل. ص  34. ISBN 978-1-259-92964-9.
  2. 1 2 "تصحيح لموضوع المواصفات الموجزة OGC رقم 2: الإشارة بالإحداثيات" . اتحاد البيانات الجغرافية المكانية المفتوحة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-12-2018 .
  3. 1 2 "استخدام مجموعة بيانات المعلمات الجيوديسية EPSG، المذكرة الإرشادية 7-1" . مجموعة بيانات المعلمات الجيوديسية EPSG . حلول جيوماتيك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 ديسمبر 2021 .
  4. ↑ راسل، دون. "فهم الخرائط: الشبكة الوطنية البريطانية" . Uncharted 101. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 ديسمبر 2021 .
  5. 1 2 رايز، إروين (1948). رسم الخرائط العام . ماكجرو هيل. ص 225-229 . 
  6. ↑ بوخرويثنر، مانفريد؛ بفالبوش، رينيه (2017). "الشبكات الجيوديسية في الخرائط المرجعية - نتائج جديدة حول أصل شبكة UTM". علم الخرائط والمعلومات الجغرافية . 44 (3): 186-200 . doi : 10.1080/15230406.2015.1128851 . S2CID 131732222 . 
  7. 1 2 3 "مذكرة إرشادية في علم الجيوماتكس رقم 7، الجزء 2: تحويلات الإحداثيات والتحويلات بما في ذلك الصيغ" (ملف PDF) . الرابطة الدولية لمنتجي النفط والغاز (OGP). الصفحات 9-10 . مؤرشفة من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 6 مارس 2014. تم الاطلاع عليها بتاريخ 5 مارس 2014 . 
  8. ↑ إستوبينال، ستيفن ف. (2009). دليل لفهم مسوحات الأراضي . جون وايلي وأولاده. ص 35. ISBN  978-0-470-23058-9.
  9. ↑ "نقل القطب الجنوبي" . مؤرشف بتاريخ 16 يوليو 2011 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine )، ناسا كويست
  10. ↑ "مراجع الشبكة المختصرة" . Bivouac.com - موسوعة الجبال الكندية. 17-11-2006.
  11. ↑ "الشبكات وأنظمة الإسناد" . الوكالة الوطنية للاستخبارات الجغرافية المكانية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 مارس 2014 .