Датум

Датум (от лат. datum — данное) — в геодезии и картографии совокупность параметров, определяющих математическую модель Земли (референц-эллипсоид) и его положение относительно геоида (фигуры Земли, совпадающей с уровнем невозмущённого океана). Датум служит основой для построения систем координат, используемых при создании карт, проведении геодезических измерений и навигации. Он задаёт начало отсчёта (точку привязки) и ориентацию осей координатной системы, что позволяет однозначно определять положение точек на земной поверхности. Выбор датума критически важен для точности пространственных данных, поскольку разные датумы могут приводить к расхождениям в координатах одной и той же точки на десятки и сотни метров.

История

Необходимость в единой системе отсчёта возникла с развитием геодезии и картографии в XVIII—XIX веках. Ранние карты создавались на основе локальных триангуляционных сетей, привязанных к астрономическим наблюдениям в конкретных пунктах. Такие датумы были региональными и не учитывали общую форму Земли.

Первым глобальным датумом стал Международный эллипсоид 1924 года (Хейфорда), принятый Международным геодезическим и геофизическим союзом (IUGG). Однако он не был идеально согласован с геоидом на всех континентах. В середине XX века, с началом космической эры и развитием спутниковой геодезии, появилась возможность создавать более точные модели. В 1960-х годах был разработан датум WGS 60 (World Geodetic System), который впоследствии эволюционировал в WGS 72 и, наконец, в широко используемый сегодня WGS 84.

В СССР и России исторически использовались свои датумы, основанные на эллипсоиде Красовского (1940 год). Наиболее известный из них — Пулково-1942 (СК-42), привязанный к Пулковской обсерватории. В 1990-х годах была введена более точная система ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года), которая применяется для спутниковой навигации (ГЛОНАСС) и геодезических работ на территории РФ.

Классификация датумов

Датумы делятся на два основных типа в зависимости от способа определения и области применения:

Горизонтальные датумы

Горизонтальные датумы определяют параметры референц-эллипсоида (большая полуось a и сжатие f) и его положение относительно центра масс Земли или геоида. Они используются для задания координат (широты и долготы) на плоскости карты. Примеры: WGS 84, ПЗ-90, NAD 83 (Североамериканский датум 1983 года).

Вертикальные датумы

Вертикальные датумы задают начало отсчёта высот — обычно средний уровень моря, определённый по данным многолетних наблюдений на конкретном водомерном посту. В России используется Балтийская система высот (БСВ), привязанная к нулю Кронштадтского футштока. В США — Североамериканский вертикальный датум 1988 года (NAVD 88). Разные вертикальные датумы могут давать расхождения в высотах точек на несколько сантиметров или десятков сантиметров.

Глобальные и локальные датумы

• Глобальные датумы (например, WGS 84, ITRS) ориентированы на центр масс Земли и пригодны для использования на всей планете. Они лежат в основе спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Galileo).
• Локальные (региональные) датумы (например, Пулково-1942, OSGB36 для Великобритании) оптимизированы для конкретной территории. Они обеспечивают более высокую точность на ограниченной площади, но несовместимы с глобальными системами без пересчёта.

Устройство и параметры

Датум математически описывается следующими параметрами:

1. Размеры референц-эллипсоида: большая полуось (экваториальный радиус) и сжатие (или малая полуось).
2. Положение эллипсоида относительно геоида: смещение по осям X, Y, Z (ΔX, ΔY, ΔZ) и, возможно, углы поворота осей (ωX, ωY, ωZ) и масштабный коэффициент (ΔS).
3. Начальная точка (datum origin): точка, в которой эллипсоид совпадает с геоидом по высоте и астрономической широте/долготе. Для локальных датумов эта точка выбирается в центре региона.

Например, датум WGS 84 использует эллипсоид с большой полуосью 6 378 137 м и сжатием 1/298,257223563. Его центр совмещён с центром масс Земли с точностью до нескольких сантиметров.

Применение

Датумы являются фундаментом для всех пространственных измерений и картографических работ:

• Геодезия и топография: создание государственных и местных систем координат для кадастра, строительства, межевания земель.
• Навигация: GPS, ГЛОНАСС, Galileo и другие спутниковые системы используют глобальные датумы (WGS 84, ПЗ-90). Приёмники автоматически пересчитывают координаты в локальные датумы, если это задано пользователем.
• Картография: все карты, от бумажных до цифровых (Google Maps, Яндекс.Карты), привязаны к определённому датуму. Несоответствие датумов приводит к смещению объектов на карте.
• Геоинформационные системы (ГИС): при интеграции данных из разных источников необходимо преобразовывать координаты между датумами (трансформация датума). Игнорирование этого этапа ведёт к ошибкам в пространственном анализе.
• Научные исследования: в геофизике, океанографии, гляциологии для изучения движения земной коры, изменения уровня моря, таяния ледников требуются датумы с высокой точностью (например, ITRF — Международная земная референцная система).

Примеры датумов

Проблемы и критика

Основная проблема, связанная с датумами, — их несовместимость. При переходе от одного датума к другому (например, от СК-42 к WGS 84) возникают систематические ошибки, которые могут достигать сотен метров. В России до сих пор существует параллельное использование нескольких систем координат (СК-42, СК-95, ПЗ-90, МСК — местные системы координат), что создаёт трудности для геодезистов, картографов и пользователей ГИС.

Критике подвергается и сложность процедуры трансформации датумов. Не все методы преобразования (например, трёхпараметрический сдвиг) обеспечивают одинаковую точность для разных регионов. Для высокоточных работ требуются специализированные программы и знание локальных параметров трансформации.

Кроме того, глобальные датумы, такие как WGS 84, не учитывают локальные особенности геоида, что может приводить к ошибкам в высотах на уровне нескольких метров, особенно в горных районах. Для компенсации этого используются геоидные модели (например, EGM2008), которые позволяют пересчитывать эллипсоидальные высоты в ортометрические (относительно уровня моря).

Интересные факты

• Термин «датум» в единственном числе часто ошибочно заменяют словом «датум» во множественном числе — «датумы». Однако в русском языке корректно использовать оба варианта, но в профессиональной среде предпочитают «датум» (лат. datum) и «датумы» (лат. data).
• Датум WGS 84 был принят в 1984 году и с тех пор несколько раз уточнялся (G730, G873, G1150, G1674, G1762). Каждое уточнение вносило поправки на уровне нескольких сантиметров.
• В России датум ПЗ-90 был официально введён в 1990 году, но его точная реализация (ПЗ-90.02, ПЗ-90.11) продолжала совершенствоваться. С 2012 года для навигации по ГЛОНАСС используется версия ПЗ-90.11.

Источники

• Инструкция по развитию государственной геодезической сети России. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.
• ГОСТ Р 51794-2008. Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек.
• Torge W. Geodesy. — 3rd ed. — Walter de Gruyter, 2001.
• Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS — Global Navigation Satellite Systems. — Springer, 2008.
• Параметры Земли 1990 года (ПЗ-90.11): справочный документ. — М.: ВНИИФТРИ, 2012.