بخشی از کتاب تکنولوژی GPS و گیرنده های دستی
. 3 تعریف نقشه
نقشه تصویری است دو بعدی از یک منطقه که توسط قراردادهایی برای رسم آن ایجاد می‌شود. با داشتن نقشه یک منطقه می‌توانیم به پاره‌ای اطلاعات مهم از قبیل عوارض، جغرافیای منطقه، میزان جمعیت و... دست پیدا کنیم و در برنامه‌ریزی برای سفر به آن منطقه مدنظر قرار دهیم.
اطلاعات در خصوص عوارض را به دو بخش کیفی و کمی تقسیم می‌کنیم. این اطلاعات توسط علائم قراردادی و عناصر گرافیکی به کاربر نقشه انتقال داده می‌شود.
3/2 سطح زمین را آب دریاهای آزاد پوشانده است. اگر این سطح را گسترش دهیم تا همة سطح زمین را بپوشاند مدلی از سطح زمین به دست می‌آید که ژئوئید نام دارد. این مدل براساس پوسته زمین نیست بلکه براساس سطح متوسط آب اقیانوس‌ها (Mean sea level) می‌باشد البته در حالتی که سطح آب اقیانوس‌ها در حال تعادل بوده و شکل زمین فقط تحت تأثیر گرانش خود باشد و عواملی چون جزر و مد، سیل و همچنین عوارض موجود در پوسته زمین، شکل آن را تحت تأثیر قرار ندهند. بیش از یک قرن، تعریف ژئوئید به این صورت بوده اما اخیراً مدل دقیق آن ارائه شده است، در این امر ما سپاسگزار تلاش نمایندگی GOCE هستیم. مدل ژئوئید جدید امروزی دقیق‌ترین مدل حاضر می‌باشد. نیروی ثقل، بر هر نقطه از سطح ژئوئید عمود است به عبارتی سطح ژئوئید یک سطح تراز می‌باشد.
از سال 2009 نمایندگی فضایی اروپا، بخش گرانش زمین و کاوشگر ثابت اقیانوس‌پیما (GOCE) در حال تهیه نقشه از وضعیت گرانش زمین می‌باشد. درحال حاضر این نمایندگی جدیدترین مدل ژئوئید را با جزئیات کامل منتشر کرده است. این مدل که بیشتر به شکل سیب‌زمینی است تا بیضی، آخرین مدلی است که چگونگی تفاوت گرانش زمین را در نقاط مختلف نشان می‌دهد.
در شکل 1-3 رنگ زرد مناطقی با بیشترین گرانش و رنگ آبی مناطقی با کمترین گرانش را نشان می‌دهند. شاید در نظر ما تفاوت گرانش این مناطق ناچیز باشد، اما همین تفاوت تأثیر زیادی بر پویایی اقیانوس و حرکت گرما در اطراف کره زمین دارد و عنصری کلیدی جهت درک شرایط جوی و تغییر آب و هوا می‌باشد.
همچنین ژئوئید به کمک علم زمین‌شناسی آمده و در یک موضوع پژوهشی که اخیراً در رابطه با زلزله‌های زنجیره‌ای در داخل و اطراف ژاپن اتفاق افتاده و موجب خرابی‌های جدی شده است اطلاعاتی در اختیار گذاشته است. محققان امیدوارند که داده‌های ارسالی از نمایندگی GOCE در تشریح و تعریف این حرکت عظیم پوسته زمین مؤثر باشد.
شکل 1-3 جدیدترین مدل ژئوئید
WGS یک استاندارد برای استفاده در کارتوگرافی، ژئودزی و ناوبری می‌باشد و یک چهارچوب استاندارد مختصات برای زمین تعریف می‌کند. آخرین بازنگری معتبر روی WGS 84 بعد از سال‌های 1984 و 2004، سال 2010 بوده است. طراحی‌های اخیر شامل WGS 72, WGS 66, WGS 60 می‌شود. اما در GPS، WGS 84 استفاده می‌شود.
با تعریفی که از ژئوئید ارائه شد معلوم می‌شود که ژئوئید یک سطح هندسی منظم نیست و برای محاسبات روی زمین مناسب نمی‌باشد. برای داشتن دقت مناسب اندازه‌گیری روی زمین نزدیک‌ترین بیضوی به شکل فیزیکی زمین را مبنای کار قرار می‌دهیم و آن را الپسوئید می‌نامیم. الپسوئید فرمول ریاضی دارد و با تعریف قطر بزرگ و قطر کوچک بیضوی شکل آن مشخص می‌شود. شکل 2-3
شکل 2-3 الپسوئید یک سطح فرضی هندسی است
مبدأ مختصات در WGS 84 مرکز جرم زمین در نظر گرفته شده است. که خطایی در حدود 2 cm برای آن متصور هستیم. مرکز زمین همان مرکز جاذبه است که مرکز ثقل اشیاء، در حال تعادل، سمت آن را به ما نشان می‌دهد. شکل 3-3
شکل 3-3 پرنده اسباب‌بازی مرکز جاذبه را به ما نشان می‌دهد
نصف‌النهار صفر در WGS84، نصف‌النهار مرجع:
(IERS)International Earth Rotation and Reference Systems Service
می‌باشد که در فاصله 31.5 ثانیه یا 102.5m در شرق نصف‌النهار گرینویچ واقع است. شعاع بزرگ بیضوی در استوا a=6378137m و شعاع کوچک آن در قطب b=6356752m است که ضریب فشردگی این بیضوی f=1/298.257223563 محاسبه می‌شود.
همه بیضوی‌ها یک WGS هستند. که برحسب نیاز کشورها تعریف شده‌اند. مشخصات چند بیضوی معروف که در نقشه‌های ایران مورد استفاده قرار می‌گیرد به شرح ذیل است:
الف) بیضوی کلارک 1880
|
a=6378249m نصف قطر بزرگ
b=6356480m نصف قطر کوچک
ب) بیضوی هایفورد
b=6345812m a=6378388m
WGS84 سال 1980 بر مبنای نیاز GPS تعریف شده است و یک سطح مبنای زمین مرکز می‌باشد. به مقایسه WGS84 با یک بیضوی مرجع دیگر توجه کنید.
قبل از استفاده از گیرنده و نرم‌افزار mapsource در تنظیمات آن مجبور به انتخاب بیضوی یا همان سطح مبنا هستیم. هر چند سال یک بار بیضوی‌ها با استفاده از مدل جاذبه زمین EGM96 geoid ویرایش می‌شوند. باید توجه داشت که علی‌رغم استفاده GPS از WGS84 و WGS72، کشورها دارای بیضوی‌های مبنای دیگری هم هستند، که با توجه نزدیکی آن بیضوی به ژئوئید منطقه انتخاب می‌شود.
به عنوان مثال کشور استرالیا از به عنوان بیضوی استفاده می‌کند. مثال‌هایی از سطوح مبنا را با علائم اختصاری آنها مشاهده می‌کنید.
- WGS 84, 72, 64 and 60 of the World Geodetic System
- NAD83, the North American Datum which is very similar to WGS84
- NAD27, the older North American Datum, of which NAD83 was basically a readjustment
- OSGB36 of the Ordnance Survey of Great Britain
- ED50, the European Datum
بعد از به وجود آمدن تکنولوژی GPS اختلاف موقعیت نصف‌النهار گرینویچ با نصف‌النهار صفر در بیضوی مبنای گیرنده، برای همه قابل رویت و محاسبه شده است.
مبنای محاسبه ارتفاع نقاط روی زمین، بیضوی یا ژئوئید می‌باشد. شکل 7-3 اختلاف ارتفاع بین ژئوئید و بیضوی را نشان می‌دهد که البته این اختلاف فاحش نیست و معمولاً در حد چند متر است. توجه داشته باشید که ارتفاعی که گیرنده نمایش می‌دهد همان ارتفاع سطح زمین منظور می‌شود.
شکل 7-3 ارتفاع نقطه زمینی از ژئوئیدH= ؛ ارتفاع نقطه زمینی از بیضوی h=
اختلاف ارتفاع بیضوی و ژئوئید N=
در شکل 8-3 تقاطع بیضوی و ژئوئید نشان داده شده است به اختلاف موجود در قطب توجه کنید.
شکل 8-3 تقاطع بیضوی و ژئوئید
تمامی نقشه‌ها بر روی یک سطح مستوی رسم می‌شوند اما هر سطحی از زمین بخشی از سطح یک کره می‌باشد برای انتقال سطح کروی قسمت‌های مختلف زمین روی یک سطح صاف از سیستم تصویرها کمک می‌گیریم.
به عبارتی سطوح کره را بر روی یک سطح دیگر تصویر می‌کنیم. این عمل بیشتر به این دلیل صورت می‌گیرد که گسترش سطح کره بدون پارگی ممکن نیست. در صورتی که اگر سطح کره را به روی استوانه یا مخروط یا یک سطح صاف تصویر کنیم مشکل پارگی شکل گسترده را نخواهیم داشت.
اگر کره زمین را داخل یک استوانه به نحوی قرار دهیم که مدار استوا مماس به سطح استوانه شود از سیستم استوانه‌ای استفاده کرده‌ایم.
بعد از تصویر کره زمین روی سطح استوانه، استوانه را باز می‌کنیم و نقشه‌ای که حاصل شده در سیستم تصویر استوانه‌ای است. بدیهی است در انتقال سطح کره به سطح استوانه تغییراتی در اندازه‌های واقعی ایجاد می‌شود که باید مدنظر کاربر نقشه باشد. برای ادامه، به کتاب مراجعه کنید.