Декартова система координат: основные понятия и примеры. Прямоугольные координаты Х и У
Для задания декартовой прямоугольной системы координат нужно выбрать несколько взаимноперпендикулярных прямых, называемых осями. Точка пересечения осей O называется началом координат.
На каждой оси нужно задать положительное направление и выбрать единицу масштаба. Координаты точки P считаются положительными или отрицательными в зависимости от того, на какую полуось попадает проекция точки P.
|
Рис. 2
|
Декартовыми прямоугольными координатами точки P на плоскости двух взаимно перпендикулярных прямых - осей координат или, что то же, проекции радиус-вектора r точки P на две
Когда говорят про двухмерную систему коодинат, горизонтальную ось называют осью абсцисс (осью Ox), вертикальную ось - осью ординат (осью Оy). Положительные направления выбирают на оси Ox - вправо, на оси Oy - вверх. Координаты x и y называются соответственно абсциссой и ординатой точки.
Запись P(a,b) означает, что точка P на плоскости имеет абсциссу a и ординату b.
Декартовыми прямоугольными координатами точки P в трехмерном пространстве называются взятые с определенным знаком расстояния (выраженные в единицах масштаба) этой точки до трех взаимно перпендикулярных координатных плоскостей или, что то же, проекции радиус-вектора r точки P на три взаимно перпендикулярные координатные оси.
В зависимости от взаимного расположения положительных направлений координатных осей возможны левая и правая координатные системы.
 |
 |
|
Рис. 3а
|
Рис. 3б
|
Как правило, пользуются правой координатной системой. Положительные направления выбирают: на оси Ox - на наблюдателя; на оси Oy - вправо; на оси Oz - вверх. Координаты x, y, z называются соответственно абсциссой, ординатой и аппликатой.
Координатными поверхностями, для которых одна из координат остается постоянной, здесь являются плоскости, параллельные координатным плоскостям, а координатными линиями, вдоль которых меняется только одна координата, - прямые, параллельные координатным осям. Координатные поверхности пересекаются по координатным линиям.
Запись P(a,b,c) означает, что точка Q имеет абсциссу a, ординату b и аппликату c.
4.1. ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ КООРДИНАТЫ
В топографии наиболее широкое распространение получили прямоугольные координаты. Возьмем на плоскости две взаимно перпендикулярные линии - O Х и OY . Эти линии называют осями координат, а точка их пересечения (O ) - началом координат.
Рис. 4.1. Прямоугольные координаты
Положение любой точки на плоскости можно легко определить, если указать кратчайшие расстояния от осей координат до данной точки. Кратчайшими расстояниями являются перпендикуляры. Расстояния по перпендикулярам от осей координат до данной точки называют прямоугольными координатами этой точки.
Отрезки, параллельные оси X
, называют координатами х
А
, а параллельные оси Y
- координатами у
А
.
Четверти прямоугольной системы координат нумеруются. Их счет идет по ходу часовой стрелки от положительного направления оси абсцисс - I, II, III, IV (рис. 4.1).
Прямоугольные координаты, о которых шла речь, применяют на плоскости. Отсюда они получили название плоских прямоугольных координат.
Эту систему координат применяют на небольших участках местности, принимаемых за плоскость.
4.2. ЗОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ГАУССА
При рассмотрении вопроса «Проекции топографических карт» было отмечено, что поверхность Земли проектируется на поверхность цилиндра, который касается поверхности Земли по осевому меридиану. При этом на цилиндр проектируется не вся поверхность Земли, а лишь часть ее, ограниченная 3° долготы на запад и 3° на восток от осевого меридиана. Поскольку каждая из проекций Гаусса передает на плоскость только фрагмент поверхности Земли, ограниченный меридианами через 6° долготы, то всего на поверхность Земли должно быть составлено 60 проекций (60 зон). В каждой из 60 проекций образуется отдельная система прямоугольных координат.
В каждой зоне осью X
является средний (осевой) меридиан зоны, вынесенный западнее на 500 км от своего фактического положения, а осью Y
- экватор (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Система прямоугольных координат
на топографических картах
Пересечение вынесенного осевого меридиана с экватором будет началом координат: х = 0, у = 0
. Точка пересечения экватора и фактического осевого меридиана имеет координаты: х = 0, у = 500 км.
В каждой зоне имеется свое начало координат. Счет зон ведется от Гринвичского меридиана на восток. Первая шестиградусная зона расположена между Гринвичским меридианом и меридианом с восточной долготой 6º(осевой меридиан 3º). Вторая зона - 6º в.д. - 12º в.д (осевой меридиан 9º). Третья зона - 12º в.д. - 18º в.д. (осевой меридиан 15º). Четвертая зона - 18º в.д. - 24º в.д. (осевой меридиан 21º) и т.д.
Номер зоны обозначен в координате у
первой цифрой. Например, запись у
= 4 525 340
означает, что заданная точка находится в четвертой зоне (первая цифра) на расстоянии 525 340 м
от осевого меридиана зоны, вынесенного западнее 500 км.
Чтобы определить номер зоны по географическим координатам, необходимо к долготе, выраженной в целых числах градусов, прибавить 6 и полученную сумму разделить на 6. В результате деления оставляем только целое число.
Пример. Определить номер зоны Гаусса для точки, имеющей восточную долготу 18º10".
Решение. К целому числу градусов долготы 18 прибавляем 6 и сумму делим на 6
(18 + 6) / 6 = 4.
Наша карта находится в четвертой зоне.
Затруднения при использовании зональной системы координат возникают в тех случаях, когда топографо-геодезические работы проводятся на приграничных участках, расположенных в двух соседних (смежных) зонах. Координатные линии таких зон располагаются под углом друг к другу (рис 4.3).
Для ликвидации возникающих осложнений введена полоса перекрытия зон
, в которой координаты точек могут быть вычислены в двух смежных системах. Ширина полосы перекрытия 4°, по 2° в каждой зоне.
Дополнительная сетка на карте наносится лишь в виде выходов ее линий между минутной и внешней рамками. Оцифровка ее является продолжением оцифровки линий сетки смежной зоны. Линии дополнительной сетки подписывают за внешней рамкой листа . Следовательно, на листе карты, расположенном в восточной зоне, при соединении одноименных выходов дополнительной сетки получают километровую сетку западной зоны. Пользуясь этой сеткой, можно определить, например, прямоугольные координаты точки В в системе прямоугольных координат западной зоны, т. е. прямоугольные координаты точек А и В будут получены в одной системе координат западной зоны.
Рис. 4.3. Дополнительные километровые линии на границе зон
На карте масштаба 1:10 000 дополнительная сетка разбивается только на тех листах, у которых восточный или западный меридиан внутренней рамки (рамки трапеции) является границей зоны. На топографических планах дополнительная сетка не наносится.
4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ С ПОМОЩЬЮ ЦИРКУЛЯ-ИЗМЕРИТЕЛЯ
Важным элементом топографической карты (плана) является прямоугольная сетка. На все листы данной 6-градусной зоны сетку наносят в виде рядов линий, параллельных осевому меридиану и экватору
(рис. 4.2). Вертикальные линии сетки параллельны осевому меридиану зоны, а горизонтальные - экватору. Счет горизонтальных километровых линий ведется снизу вверх, а вертикальных - слева направо
.
Интервалы между линиями на картах масштабов 1:200 000 - 1:50 000 составляют 2 см, 1:25 000 - 4 см, 1:10 000 - 10 см, что соответствует целому числу километров на местности. Поэтому прямоугольную сетку называют еще километровой
, а ее линии - километровыми
.
Километровые линии, ближайшие к углам рамки листа карты, подписывают полным числом километров, остальные - двумя последними цифрами. Надпись 60
65 (см. рис. 4.4) на одной из горизонтальных линий означает, что эта линия удалена oт экватора на 6065 км (к северу): надпись 43
07 у вертикальной линии означает, что она находится в четвертой зоне и удалена от начала счета ординат к востоку на 307 км. Если около вертикальной километровой линии записано трехзначное число мелкими цифрами, две первые обозначают номер зоны
.
Пример.
Надо определить по карте прямоугольные координаты точки местности, например, пункта государственной геодезической сети (ГГС) с отметкой 214,3 (рис. 4.4). Сначала записывают (в километрах) абсциссу южной стороны квадрата, в котором находится эта точка (т. е. 6065). Затем с помощью циркуля-измерителя и линейного масштаба определяют длину перпендикуляра Δх
= 550 м
, опушенного из заданной точки на эту линию. Полученную величину (в данном случае 550 м) добавляют к абсциссе линии. Число 6 065 550 есть абсцисса х
пункта ГГС.
Ордината пункта ГГС равна ординате западной стороны того же квадрата (4307 км), сложенной с длиной перпендикуляра Δу
= 250 м, измеренного по карте. Число 4 307 250 есть ордината того же пункта.
При отсутствии циркуля-измерителя расстояния измеряют линейкой или полоской бумаги
.
х
= 6065550, у
= 4307250
Рис. 4.4. Определение прямоугольных координат с помощью линейного масштаба
4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ С ПОМОЩЬЮ КООРДИНАТОМЕРА
Координатомер
- небольшой угольник с двумя перпендикулярными сторонами. По внутренним ребрам линеек нанесены шкалы, длины которых равны длине стороны координатных клеток карты данного масштаба. Деления на координатомер переносят с линейного масштаба карты.
Горизонтальная шкала совмещается с нижней линией квадрата (в котором находится точка), а вертикальная шкала должна проходить через данную точку. По шкалам определяют расстояния от точки до километровых линий.
х А = 6135 350 у А =
5577 710
Рис. 4.5. Определение прямоугольных координат с помощью координатомера
4.5. НАНЕСЕНИЕ НА КАРТУ ТОЧЕК ПО ЗАДАННЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ КООРДИНАТАМ
Чтобы нанести на карту точку по заданным прямоугольным координатам, поступают следующим образом: в записи координат находят двузначные числа, которыми сокращенно обозначены линии прямоугольной сетки. По первому числу находят на карте горизонтальную линию сетки, по второму - вертикальную. Их пересечение образует юго-западный угол квадрата, в котором лежит искомая точка. На восточной и западной сторонах квадрата откладывают от его южной стороны два равных отрезка, соответствующих в масштабе карты числу метров в абсциссе х . Концы отрезков соединяют прямой линией и на ней от западной стороны квадрата откладывают в масштабе карты отрезок, соответствующий числу метров в ординате; конец этого отрезка является искомой точкой.
4.6. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПЛОСКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ГАУССА ПО ГЕОГРАФИЧЕСКИМ КООРДИНАТАМ
Плоские прямоугольные координаты Гаусса х
и у
весьма сложно связаны с географическими координатами φ
(широта) и λ
(долгота) точек земной поверхности. Предположим, что некоторая точка А
имеет географические координаты φ
и λ
.
Поскольку разность долгот граничных меридианов зоны равна 6°, то соответственно для каждой из зон можно получить долготы крайних меридианов: 1-я зона (0° - 6°), 2-я зона (6° - 12°), 3-я зона (12° - 18°) и т.д. Таким образом, по географической долготе точки А
можно определить номер зоны, в которой эта точка находится. При этом долгота λ
ос осевого меридиана зоны определится по формуле
λ
ос
= (6°n - 3°),
в которой n
- номер зоны.
Для определения плоских прямоугольных координат х и у по географическим координатам φ и λ воспользуемся формулами, выведенными для референц-эллипсоида Красовского (референц-эллипсоид - фигура, максимально приближенная к фигуре Земли в той ее части, на которой находится данное государство, либо группа государств):
х
= 6367558,4969 (φ
рад
) − {a
0
− l 2 N}sin
φ
cos
φ
(4.1)
у
(l) = lNcos
φ
(4.2)
В формулах (4.1) и (4.2) приняты следующие обозначения:
у(l)
- расстояние от точки до осевого меридиана зоны;
l
= (λ - λ
ос
) - разность долгот определяемой точки и осевого меридиана зоны);
φ
рад
- широта точки, выраженная в радианной мере;
N
= 6399698,902 -
cos 2
φ;
а
0
= 32140,404 -
cos
2
φ;
а
3
= (0,3333333 + 0,001123
cos
2
φ)
cos 2
φ - 0,1666667;
а
4
= (0,25 + 0,00252
cos 2
φ)
cos 2
φ - 0,04166;
а
5
= 0,0083 -
cos 2
φ;
а
6
= (0,166 cos 2 φ - 0,084) cos 2 φ.
у" - расстояние от осевого меридиана отнесенного западнее 500 км.
По формуле (4.1) значение координаты у(l)
получают относительно осевого меридиана зоны, т.е. оно может получиться со знаками «плюс» для восточной части зоны или «минус» - для западной части зоны. Для записи координаты y
в зональной системе координат необходимо вычислить расстояние до точки от осевого меридиана зоны, отнесенного западнее на 500 км (у
"в таблице)
, а впереди полученного значения приписать номер зоны. Например, получено значение
у(l)
= -303678,774 м в 47 зоне.
Тогда
у
= 47 (500000,000 - 303678,774) = 47196321,226 м.
Для вычислений используем электронные таблицы MicrosoftXL
.
Пример
. Вычислить прямоугольные координаты точки, имеющей географические координаты:
φ = 47º02"15,0543" с.ш.; λ = 65º01"38,2456" в.д.
В таблицу MicrosoftXL вводим исходные данные и формулы (таб. 4.1).
Таблица 4.1.
D |
E |
F |
||||
Параметр |
Вычисления |
Град |
||||
φ (град) |
D2+E2/60+F2/3600 |
|||||
φ (рад) |
РАДИАНЫ(C3) |
|||||
Cos 2 φ |
||||||
№ зоны |
ЦЕЛОЕ((D8+6)/6) |
|||||
λос (град) |
||||||
l (град) |
D11+E11/60+F11/3600 |
|||||
l (рад) |
РАДИАНЫ(C12) |
|||||
6399698,902-((21562,267- |
||||||
а 0 |
32140,404-((135,3302- |
|||||
а 4 |
=(0,25+0,00252*C6^2)*C6^2-0,04166 |
|||||
а 6 |
=(0,166*C6^2-0,084)*C6^2 |
|||||
а 3 |
=(0,3333333+0,001123*C6^2)*C6^2-0,1666667 |
|||||
а 5 |
0,0083-((0,1667-(0,1968+0,004*C6^2)*C6^2))*C6^2 |
|||||
6367558,4969*C4-(((C15-(((0,5+(C16+C17*C20)*C20)) *C20*C14)))*C5*C6) |
||||||
=((1+(C18+C19*C20)*C20))*C13*C14*C6 |
||||||
ОКРУГЛ((500000+C23);3) |
||||||
СЦЕПИТЬ(C9;C24) |
Вид таблицы после вычислений (таб. 4.2).
Таблица 4.2.
Параметр |
Вычисления |
Град |
||||
φ (град, мин, сек) |
||||||
φ (градусы) |
||||||
φ (радианы) |
||||||
Cos 2 φ |
||||||
λ (град, мин, сек) |
||||||
Номер зоны |
||||||
λос (град) |
||||||
l (мин, сек) |
||||||
l (градусы) |
||||||
l (радианы) |
||||||
а 0 |
||||||
а 4 |
||||||
а 6 |
||||||
а 3 |
||||||
а 5 |
||||||
4.7. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ПО ПЛОСКИМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ КООРДИНАТАМ ГАУССА
Для решения данной задачи также используются формулы пересчета, полученные для референц-эллипсоида Красовского.
Предположим, что нам необходимо вычислить географические координаты φ
и λ
точки А
по ее плоским прямоугольным координатам х
и у
, заданным в зональной системе координат. При этом значение координаты у
записано с указанием номера зоны и с учетом переноса осевого меридиана зоны западнее на 500 км.
Предварительно по значению у
находят номер зоны, в которой расположена определяемая точка, по номеру зоны определяют долготу λ
o осевого меридиана и по расстоянию от точки до отнесенного на запад осевого меридиана находят расстояние у(l)
от точки до осевого меридиана зоны (последнее может быть со знаком плюс или минус).
Значения географических координат φ
и λ
по плоским прямоугольным координатам х
и у
находят по формулам:
φ = φ х
- z 2 b 2
ρ″ (4.3)
λ = λ 0
+ l (4.4)
l = zρ″ (4.5)
В формулах (4.3) и (4.5) :
φ х ″= β″ +{50221746 + cos 2 β}10-10sinβcosβ ρ″;
β″ = (Х / 6367558,4969) ρ″; ρ″ = 206264,8062″ - число секунд в одном радиане
z = У(L) / (Nx сos φx);
N х = 6399698,902 - cos 2 φ х;
b 2 = (0,5 + 0,003369 cos 2 φ х) sin φ х cos φ х;
b 3 = 0,333333 - (0,166667 - 0,001123 cos2 φ х) cos2 φ х;
b 4 = 0,25 + (0,16161 + 0,00562 сos 2 φ х) cos 2 φ х;
b 5 = 0,2 - (0,1667 - 0,0088 сos 2 φ х) cos 2 φ х.
Для вычислений используем электронные таблицы MicrosoftXL
.
Пример
. Вычислить географические координаты точки по прямоугольным:
x = 5213504,619; y = 11654079,966.
В таблицу MicrosoftXL вводим исходные данные и формулы (таб. 4.3).
Таблица 4.3.
|
Вид таблицы после вычислений (таб. 4.4).
Таблица 4.4.
Параметр |
Вычисление |
Град. |
||||
Номер зоны * |
||||||
Номер зоны |
||||||
λоос (град) |
||||||
у" |
||||||
β рад |
||||||
Cos 2 β |
||||||
φ х " |
||||||
φ х рад |
||||||
φ х |
||||||
Cos φ х |
||||||
Cos 2 φ х |
||||||
N х |
||||||
Ν х Cos φ х |
||||||
z 2 |
||||||
b 4 |
||||||
b 2 |
||||||
b 3 |
||||||
b 5 |
||||||
φ |
||||||
l 0 |
||||||
λ |
Если вычисления произведены верно, копируем обе таблицы на один лист, скрываем строки промежуточных вычислений и колонку № п/п, а оставляем только строки ввода исходных данных и результатов вычислений. Форматируем таблицу и корректируем названия колонок и столбцов по вашему усмотрению.
Рабочие таблицы могут выглядеть такТаблица 4.5.
Примечания
.
1. В зависимости от требуемой точности можно увеличить или уменьшить разрядность.
2. Количество строк в таблице можно сократить, объединив вычисления. Например, радианы угла не вычислять отдельно, а сразу записать в формулу =SIN(РАДИАНЫ(C3)).
3. Округление в п. 23 табл. 4.1. производим для «сцепления». Число разрядов в округлении 3.
4. Если не изменить формат ячеек в колонках «Град» и «Мин», то нулей перед цифрами не будет. Изменение формата здесь выполнено только для зрительного восприятия (по решению автора) и на результаты вычислений не влияет.
5. Чтобы случайно не повредить формулы, следует защитить таблицу: Сервис / Защитить лист. Перед защитой выделить ячейки для ввода исходных данных, а затем: Формат ячеек / Защита / Защищенная ячейка - убрать галочку.
4.8. СВЯЗЬ ПЛОСКОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ И ПОЛЯРНОЙ СИСТЕМ КООРДИНАТ
Простота полярной системы координат и возможность ее построения относительно любой точки местности, принимаемой за полюс, обусловили ее широкое применение в топографии. Чтобы связать воедино полярные системы отдельных точек местности, необходимо перейти к определению положения последних в прямоугольной системе координат, которая может быть распространена на значительно большую по площади территорию. Связь между двумя системами устанавливается решением прямой и обратной геодезических задач.
Прямая геодезическая задача
состоит в определении координат конечной точки В
(рис. 4.4) линии АВ
по длине ее
горизонтального проложения
d
, направлению
α
и координатам начальной точки х
А
,
у
А
.
Рис. 4.6. Решение прямой и обратной геодезических задач
Так, если принять точку А (рис. 4.4) за полюс полярной системы координат, а прямую АВ - за полярную ось, параллельную оси ОХ , то полярными координатами точки В будут d и α . Необходимо вычислить прямоугольные координаты этой точки в системе ХОУ.
Из рис. 3.4 видно, что х В отличается от х А на величину (х В - х А ) = Δх АВ , а у В отличается от у А на величину (у В - у А ) = Δу АВ . Разности координат конечной В и начальной А точек линии АВ Δх и Δу называют приращениями координат . Приращениями координат являются ортогональные проекции линии АВ на оси координат. Координаты х В и у В могут быть вычислены по формулам:
х
В
= х
А
+ Δх
АВ
(4.1)
у
В
= у
А
+ Δу
АВ
(4.2)
Δх
АВ
=d
cos
α
(4.3)
Δу
АВ
= d
sin
α
(4.4)
Знак приращений координат зависит от угла положения.
Таблица 4.1.
Подставив значение приращений Δх АВ и Δу АВ в формулы (3.1 и 3.2), получим формулы для решения прямой геодезической задачи:
х
В
= х
А
+ d
cos
α
(4.5)
у
В
= у
А
+ d
sin
α
(4.6)
Обратная геодезическая задача заключается в определении длины горизонтального проложения d и направления α линии АВ по данным координатам ее начальной точки А (хА, уА) и конечной В (хВ, уВ). Угол направления вычисляется по катетам прямоугольного треугольника:
tg α
= 
(4.7)
Горизонтальное проложение d , определяют по формуле:
d
= 
(4.8)
Для решения прямой и обратной геодезической задачи можно воспользоваться электронными таблицами Microsoft Excel .
Пример
.
Задана точка А
с координатами: х
А
= 6068318,25; у
А
= 4313450,37. Горизонтальное проложение (d)
между точкой А
и точкой В
равно 5248,36 м. Угол между северным направлением оси ОХ
и направлением на точку В
(угол положения - α
) равен 30º.
Вводим исходные данные и формулы в электронные таблицы Microsoft Excel (таб. 4.2).
Таблица 4.2.
Исходные данные |
||
х А |
||
у А |
||
Вычисления |
||
Δх АВ = d cos α |
B4*COS(РАДИАНЫ(B5)) |
|
Δу АВ = d sin α |
B4*SIN(РАДИАНЫ(B5)) |
|
х В |
||
у В |
||
Таблица 4.3.
Исходные данные |
||
х А |
||
у А |
||
Вычисления |
||
Δх АВ = d cos α |
||
Δу АВ = d sin α |
||
х В |
||
у В |
||
Пример
.
Заданы точки А
и В
с координатами:
х
А
= 6068318,25; у
А
= 4313450,37;
х
В
= 6072863,46; у
В
= 4313450,37.
Рассчитать горизонтальное проложение d
между точкой А
и точкой В,
а также угол α
между северным направлением оси ОХ
и направлением на точку В
.
Вводим исходные данные и формулы в электронные таблицы Microsoft Excel
(таб. 4.4).
Таблица 4.4.
Исходные данные |
||
х А |
||
у А |
||
х В |
||
у В |
||
Вычисления |
||
Δх АВ |
||
Δу АВ |
||
КОРЕНЬ(B7^2+B8^2) |
||
Тангенс |
||
Арктангенс |
||
Градусы |
ГРАДУСЫ(B11) |
|
Выбор |
ЕСЛИ(B12<0;B12+180;B12) |
|
Угол положения (град) |
ЕСЛИ(B8<0;B13+180;B13) |
|
Таблица 4.5.
Исходные данные |
||
х А |
||
у А |
||
х В |
||
у В |
||
Вычисления |
||
Δх АВ |
||
Δу АВ |
||
Тангенс |
||
Арктангенс |
||
Градусы |
||
Выбор |
||
Угол положения (град) |
||
Если ваши вычисления совпали с вычислениями учебного пособия, скройте промежуточные расчеты, отформатируйте и защитите таблицу.
Видео
Прямоугольные координаты
Вопросы и задания для самоконтроля
- Какие величины называют прямоугольными координатами?
- На какой поверхности применяют прямоугольные координаты?
- В чем заключается суть зональной системы прямоугольных координат?
- Назовите номер шестиградусной зоны, в которой находится г. Луганск с координатами: 48°35′ с.ш. 39°20′ в.д.
- Рассчитайте долготу осевого меридиана шестиградусной зоны, в которой находится г. Луганск.
- Как ведется счет координат х и у в прямоугольной системе координат Гаусса?
- Объясните порядок определения прямоугольных координат на топографической карте с помощью циркуля-измерителя.
- Объясните порядок определения прямоугольных координат на топографической карте с помощью координатомера.
- В чем сущность прямой геодезической задачи?
- В чем сущность обратной геодезической задачи?
- Какую величину называют приращением координат?
- Дайте определения синуса, косинуса, тангенса и котангенса угла.
- Как можно применить в топографии теорему Пифагора о соотношении между сторонами прямоугольного треугольника?
Глава I. Векторы на плоскости и в пространстве
§ 13. Переход от одной прямоугольной декартовой системы координат к другой
Данную тему мы предлагаем Вам рассмотреть в двух вариантах.
1) По учебнику И.И.Привалов "Аналитическая геометрия" (учебник для высших технических учебных заведений 1966 г.)
И.И.Привалов "Аналитическая геометрия"
§ 1. Задача преобразования координат.
Положение точки на плоскости определяется двумя координатами относительно некоторой системы координат. Координаты точки изменятся, если мы выберем другую систему координат.
Задача преобразования координат состоит в том, чтобы, зная координаты точки в одной системе координат, найти ее координаты в другой системе .
Эта задача будет разрешена, если мы установим формулы, связывающие координаты произвольной точки по двум системам, причем в коэффициенты этих формул войдут постоянные величины, определяющие взаимное положение систем.
Пусть даны две декартовы системы координат хОу и XO 1 Y (рис. 68).
Положение новой системы XO 1 Y относительно старой системы хОу будет определено, если известны координаты а и b нового начала O 1 по старой системе и угол α между осями Ох и О 1 Х . Обозначим через х и у координаты произвольной точки М относительно старой системы, через X и Y-координаты той же точки относительно новой системы. Наша задача заключается в том, чтобы старые координаты х и у выразить через новые X и Y. В полученные формулы преобразования должны, очевидно, входить постоянные a, b и α .
Решение этой общей задачи мы получим из рассмотрения двух частных случаев.
1. Меняется начало координат, направления же осей остаются неизменными (α = 0).
2. Меняются направления осей, начало же координат остается неизменным (а = b = 0).
§ 2. Перенос начала координат.
Пусть даны две системы декартовых координат с разными началами O и O 1 и одинаковыми направлениями осей (рис. 69).
Обозначим через а и b координаты нового начала О 1 в старой системе и через х, у и X , Y -координаты произвольной точки М соответственно в старой и новой системах. Проектируя точку М на оси О 1 Х и Ох , а также точку О 1 на ось Ох , получим на оси Ох три точки О, А и Р . Величины отрезков ОА , АР и ОР связаны следующим соотношением:
| ОА | + | АР | = | ОР |. (1)
Заметив, что | ОА | = а , | ОР | = х , | АР | = | О 1 Р 1 | = Х , перепишем равенство (1) в виде:
а + X = x или x = X + а . (2)
Аналогично, проектируя М и О 1 на ось ординат, получим:
y = Y + b (3)
Итак, старая координата равна новой плюс координата нового начала по старой системе.
Из формул (2) и (3) новые координаты можно выразить через старые:
Х = х - а , (2")
Y = y - b . (3")
§ 3. Поворот осей координат.
Пусть даны две декартовы системы координат с одинаковым началом О и разными направлениями осей (рис. 70).
Пусть α есть угол между осями Ох и ОХ . Обозначим через х, у и X, Y координаты произвольной точки М соответственно в старой и новой системах:
х = | ОР | , у = | РM | ,
X = | ОР 1 |, Y = | Р 1 M |.
Рассмотрим ломаную линию ОР 1 MP и возьмем ее проекцию на ось Ох . Замечая, что проекция ломаной линии равна проекции замыкающего отрезка (гл. I, § 8) имеем:
ОР 1 MP = | ОР |. (4)
С другой стороны, проекция ломаной линии равна сумме проекций ее звеньев (гл. I, § 8); следовательно, равенство (4) запишется так:
пр ОР 1 + пр Р 1 M + пp MP = | ОР | (4")
Так как проекция направленного отрезка равна его величине, умноженной на косинус угла между осью проекций и осью, на которой лежит отрезок (гл. I, § 8), то
пр ОР 1 = X cos α
пр Р 1 M = Y cos (90° + α ) = - Y sin α ,
пp MP = 0.
Отсюда равенство (4") нам дает:
x = X cos α - Y sin α . (5)
Аналогично, проектируя ту же ломаную на ось Оу , получим выражение для у . В самом деле, имеем:
пр ОР 1 + пр Р 1 M + пp MP = пp ОР = 0.
Заметив, что
пр ОР 1 = X cos (α - 90°) = X sin α ,
пр Р 1 M = Y cos α ,
пp MP = - y ,
будем иметь:
X sin α + Y cos α - y = 0,
y = X sin α + Y cos α . (6)
Из формул (5) и (6) мы получим новые координаты X и Y выраженными через старые х и у , если разрешим уравнения (5) и (6) относительно X и Y .
Замечание. Формулы (5) и (6) могут быть получены иначе.
Из рис. 71 имеем:
х = ОР = ОМ cos (α + φ ) = ОМ cos α cos φ - ОМ sin α sin φ ,
у = РМ = ОМ sin (α + φ ) = ОМ sin α cos φ + ОМ cos α sin φ .
Так как (гл. I, § 11) OM cos φ = X , ОМ sin φ =Y , то
x = X cos α - Y sin α , (5)
y = X sin α + Y cos α . (6)
§ 4. Общий случай.
Пусть даны две декартовы системы координат с разными началами и разными направлениями осей (рис. 72).
Обозначим через а и b координаты нового начала О , по старой системе, через α -угол поворота координатных осей и, наконец, через х, у и X, Y - координаты произвольной точки М соответственно по старой и новой системам.
Чтобы выразить х и у через X и Y , введем вспомогательную систему координат x 1 O 1 y 1 , начало которой поместим в новом начале О 1 , а направления осей возьмем совпадающими с направлениями старых осей. Пусть x 1 и y 1 , обозначают координаты точки М относительно этой вспомогательной системы. Переходя от старой системы координат к вспомогательной, имеем (§ 2):
х = х 1 + а , у = у 1 + b .
х 1 = X cos α - Y sin α , y 1 = X sin α + Y cos α .
Заменяя х 1 и y 1 в предыдущих формулах их выражениями из последних формул, найдем окончательно:
x = X cos α - Y sin α + a
y = X sin α + Y cos α + b (I)
Формулы (I) содержат как частный случай формулы §§ 2 и 3. Так, при α = 0 формулы (I) обращаются в
x = X + а , y = Y + b ,
а при а = b = 0 имеем:
x = X cos α - Y sin α , y = X sin α + Y cos α .
Из формул (I) мы получим новые координаты X и Y выраженными через старые х и у , если уравнения (I) разрешим относительно X и Y .
Отметим весьма важное свойство формул (I): они линейны относительно X и Y , т. е. вида:
x = AX + BY + C , y = A 1 X + B 1 Y + C 1 .
Легко проверить, что новые координаты X и Y выразятся через старые х и у тоже формулами первой степени относительно х и у.
Г.Н.Яковлев "Геометрия"
§ 13. Переход от одной прямоугольной декартовой системы координат к другой
Выбором прямоугольной декартовой системы координат устанавливается взаимно однозначное соответствие между точками плоскости и упорядоченными парами действительных чисел. Это означает, что каждой точке плоскости соответствует единственная пара чисел и каждой упорядоченной паре действительных чисел соответствует единственная точка.
Выбор той или иной системы координат ничем не ограничен и определяется в каждом конкретном случае только соображениями удобства. Часто одно и то же множество приходится рассматривать в разных координатных системах. Одна и та же точка в разных системах имеет, очевидно, различные координаты. Множество точек (в частности, окружность, парабола, прямая) в разных системах координат задается различными уравнениями.
Выясним, как преобразуются координаты точек плоскости при переходе от одной координатной системы к другой.
Пусть на плоскости заданы две прямоугольные системы координат: О, i, j и О", i", j" (рис. 41).
Первую систему с началом в точке О и базисными векторами i и j условимся называть старой, вторую - с началом в точке О" и базисными векторами i" и j" - новой.
Положение новой системы относительно старой будем считать известным: пусть точка О" в старой системе имеет координаты (a;b ), a вектор i" образует с вектором i угол α . Угол α отсчитываем в направлении, противоположном движению часовой стрелки.
Рассмотрим произвольную точку М. Обозначим ее координаты в старой системе через (х;у ), в новой - через (х";у" ). Наша задача - установить зависимость между старыми и новыми координатами точки М.
Соединим попарно точки О и О", О" и М, О и М. По правилу треугольника получаем
OM > = OO" > + O"M > . (1)
Разложим векторы OM > и OO" > по базисным векторам i и j , а вектор O"M > по базисным векторам i" и j" :
OM > = xi + yj , OO" > = ai + bj , O"M > = x"i "+ y"j "
Теперь равенство (1) можно записать так:
xi + yj = (ai + bj ) + (x"i "+ y"j "). (2)
Новые базисные векторы i" и j" раскладываются по старым базисным векторам i и j следующим образом:
i" = cos α i + sin α j ,
j" = cos ( π / 2 + α ) i + sin ( π / 2 + α ) j = - sin α i + cos α j .
Подставив найденные выражения для i" и j" в формулу (2), получим векторное равенство
xi + yj = ai + bj + х" (cos α i + sin α j ) + у" (- sin α i + cos α j )
равносильное двум числовым равенствам:
|
х = а
+ х"
cos α
- у"
sin α
, |
Формулы (3) дают искомые выражения для старых координат х и у точки через ее новые координаты х" и у" . Для того чтобы найти выражения для новых координат через старые, достаточно решить систему уравнении (3) относительно неизвестных х" и у" .
Итак, координаты точек при переносе начала координат в точку (а; b ) и повороте осей на угол α преобразуются по формулам (3).
Если изменяется только начало координат, а направления осей остаются прежними, то, полагая в формулах (3) α = 0, получаем
Формулы (5) называют формулами поворота .
Задача 1. Пусть координаты нового начала в старой системе (2; 3), а координаты точки А в старой системе (4; -1). Найти координаты точки А в новой системе, если направления осей остаются прежними.
По формулам (4) имеем
Ответ. A (2; -4)
Задача 2. Пусть координаты точки Р в старой системе (-2; 1), а в новой системе, направления осей которой те же самые, координаты этой точки (5; 3). Найти координаты нового начала в старой системе.
А По формулам (4) получаем
|
-
2 = а
+ 5 |
откуда а = - 7, b = - 2.
Ответ. (-7; -2).
Задача 3. Координаты точки А в новой системе (4; 2). Найти координаты этой точки в старой системе, если начало координат осталось прежним, а оси координат старой системы повернуты на угол α = 45°.
По формулам (5) находим
Задача 4. Координаты точки A в старой системе (2 √3 ; - √3 ). Найти координаты этой точки в новой системе, если начало координат старой системы перенесено в точку (-1;-2), а оси повернуты на угол α = 30°.
По формулам (3) имеем
Решив эту систему уравнений относительно х" и у" , найдем: х" = 4, у" = -2.
Ответ. A (4; -2).
Задача 5. Дано уравнение прямой у = 2х - 6. Найти уравнение той же прямой в новой системе координат, которая получена из старой системы поворотом осей на угол α = 45°.
Формулы поворота в данном случае имеют вид
Заменив в уравнении прямой у = 2х - 6 старые переменные х и у новыми, получим уравнение
√ 2 / 2 (x" + y" ) = 2 √ 2 / 2 (x" - y" ) - 6 ,
которое после упрощений принимает вид y" = x" / 3 - 2√2
Определение положения точки в пространстве
Итак, положение какой-либо точки в пространстве может быть определено только по отношению к каким-либо другим точкам. Та точка, относительно которой рассматривается положение других точек, называется точкой отсчете . Мы так же применим и другое наименование точки отсчета – точка наблюдения . Обычно с точкой отсчета (или с точкой наблюдения) связывают какую-либо систему координат , которую и называют системой отсчета. В выбранной системе отсчета положение КАЖДОЙ точки определяется ТРЕМЯ координатами.
Правая декартова (или прямоугольная) система координат
Эта система координат представляет собой три взаимно перпендикулярных направленных прямых, называемых так же осями координат , пересекающихся в одной точке (начале координат). Точка начала координат обычно обозначается буквой О.
Оси координат носят названия:
1. Ось абсцисс – обозначается как OX;
2. Ось ординат – обозначается как OY;
3. Ось аппликат – обозначается как OZ
Теперь объясним, почему эта система координат называется правой. Давайте посмотрим на плоскость XOY с положительного направления оси OZ, например из точки А, как это показано на рисунке.
Предположим, что мы начинаем поворачивать ось OX вокруг точки О. Так вот – правая система координат имеет такое свойство, что, если смотреть на плоскость XOY из какой-либо точки положительной полуоси OZ (у нас – это точка А), то, при повороте оси OX на 90 против часовой стрелки, её положительное направление совпадет с положительным направлением оси OY.
Такое решение было принято в научном мире, нам же остается принимать это так, как оно есть.
Итак, после того, как мы определились с системой отсчета (в нашем случае – правой декартовой системой координат), положение любой точки описывается через значения её координат или другими словами – через величины проекций этой точки на оси координат.
Записывается это так: A(x, y, z), где x, y, z – и есть координаты точки А.
Прямоугольную систему координат можно представить себе, как линии пересечения трех взаимно перпендикулярных плоскостей.
Следует заметить, что ориентировать прямоугольную систему координат в пространстве можно как угодно, при этом надо выполнить только одно условие – начало координат должно совпадать с центром отсчета (или точкой наблюдения).
Сферическая система координат
Положение точки в пространстве можно описать и другим способом. Предположим, что мы выбрали область пространства, в котором располагается точка отсчета О (или точка наблюдения), и еще нам известно расстояние от точки отсчета до некоторой точки А. Соединим эти две точки прямой ОА. Эта прямая называется радиус-вектором и обозначается, как r . Все точки, имеющие одно и тоже значение радиус-вектора, лежат на сфере, центр которой находится в точке отсчета (или точке наблюдения), а радиус этой сферы равен, соответственно радиус-вектору.
Таким образом, нам становится очевидным, что знание величины радиус-вектора не дает нам однозначного ответа о положении интересующей нас точки. Нужны еще ДВЕ координаты, ведь для однозначного определения местоположения точки количество координат должно равняться ТРЕМ.
Далее мы поступим следующим образом – построим две взаимно перпендикулярные плоскости, которые, естественно, дадут линию пересечения, и эта линия будет бесконечной, потому как и сами плоскости ничем не ограничены. Зададим на этой линии точку и обозначим ее, ну например, как точка О1. А теперь совместим эту точку О1 с центром сферы – точкой О и посмотрим, что получается?
А получается очень интересная картина:
· Как одна, так и другая плоскости будут центральными плоскостями.
· Пересечение этих плоскостей с поверхностью сферы обозначат большие круги
· Один из этих кругов – произвольно, мы назовем ЭКВАТОРОМ , тогда другой круг будет называться ГЛАВНЫМ МЕРИДИАНОМ.
· Линия пересечения двух плоскостей однозначно определит направление ЛИНИИ ГЛАВНОГО МЕРИДИАНА.
Точки пересечения линии главного меридиана с поверхностью сферы обозначим, как М1 и М2
Через центр сферы точку О в плоскости главного меридиана проведем прямую, перпендикулярную линии главного меридиана. Эта прямая носит название ПОЛЯРНАЯ ОСЬ .
Полярная ось пересечет поверхность сферы в двух точках, которые называются ПОЛЮСАМИ СФЕРЫ. Обозначим эти точки, как Р1 и Р2.
Определение координат точки в пространстве
Теперь рассмотрим процесс определения координат точки в пространстве, а так же дадим наименования этим координатам. Для полноты картины, при определении положения точки, укажем основные направления, от которых производится отсчет координат, а так же положительное направление при отсчете.
1. Задаем положение в пространстве точки отсчета (или точки наблюдения). Обозначим эту точку буквой О.
2. Строим сферу, радиус которой равен длине радиус-вектора точки А. (Радиус-вектор точки А – это расстояние между точками О и А). Центр сферы располагается в точке отсчета О.
3. Задаем положение в пространстве плоскости ЭКВАТОРА, а соответственно плоскости ГЛАВНОГО МЕРИДИАНА. Следует напомнить, что эти плоскости взаимно перпендикулярны и являются центральными.
4. Пересечение этих плоскостей с поверхностью сферы определяет нам положение круга экватора, круга главного меридиана, а так же направление линии главного меридиана и полярной оси.
5. Определяем положение полюсов полярной оси и полюсов линии главного меридиана. (Полюса полярной оси – точки пересечение полярной оси с поверхностью сферы. Полюса линии главного меридиана – это точки пересечения линии главного меридиана с поверхностью сферы).
6. Через точку А и полярную ось строим плоскость, которую назовем плоскостью меридиана точки А. При пересечении этой плоскости с поверхностью сферы получится большой круг, который мы назовем МЕРИДИАНОМ точки А.
7. Меридиан точки А пересечет круг ЭКВАТОРА в некоторой точке, которую мы обозначим, как Е1
8. Положение точки Е1 на экваториальном круге определяется длиной дуги, заключенной между точками М1 и Е1. Отсчет ведется ПРОТИВ часовой стрелки. Дуга экваториального круга, заключенная между точками М1 и Е1 называется ДОЛГОТОЙ точки А. Долгота обозначается буквой .
Подведем промежуточный итог. На данный момент нам известны ДВЕ из ТРЕХ координат, описывающих положение точки А в пространстве – это радиус-вектор (r) и долгота (). Теперь мы будем определять третью координату. Эта координата определяется положением точки А на ее меридиане. Но вот положение начальной точки, от которой происходит отсчет, однозначно не определено: мы можем начинать отсчет как от полюса сферы (точка Р1), так и от точки Е1, то есть от точки пересечения линий меридиана точки А и экватора (или другими словами – от линии экватора).
В первом случае, положение точки А на меридиане называется ПОЛЯРНЫМ РАССТОЯНИЕМ (обозначается как р ) и определяется длиной дуги, заключенной между точкой Р1 (или точкой полюса сферы) и точкой А. Отсчет ведется вдоль линии меридиана от точки Р1 к точке А.
Во втором случае, когда отсчет ведется от линии экватора, положение точки А на линии меридиана называется ШИРОТОЙ (обозначается как и определяется длиной дуги, заключенной между точкой Е1 и точкой А.
Теперь мы можем окончательно сказать, что положение точки А в сферической системе координат определяется через:
· длину радиуса сферы (r),
· длину дуги долготы (),
· длину дуги полярного расстояния (р)
В этом случае координаты точки А запишутся следующим образом: А(r, , p)
Если пользоваться иной системой отсчета, то положение точки А в сферической системе координат определяется через:
· длину радиуса сферы (r),
· длину дуги долготы (),
· длину дуги широты ()
В этом случае координаты точки А запишутся следующим образом: А(r, , )
Способы измерения дуг
Возникает вопрос – как же нам измерить эти дуги? Самый простой и естественный способ – это провести непосредственное измерение длин дуг гибкой линейкой, и это возможно, если размеры сферы сравнимы с размерами человека. Но как поступить, если это условие не выполнимо?
В этом случае мы прибегнем к измерению ОТНОСИТЕЛЬНОЙ длины дуги. За эталон же мы примем длину окружности, частью которой является интересующая нас дуга. Как это можно сделать?
Понятие о формах и размерах Земли.
Фигура земли формируется под действием сил внутреннего тяготения и центробежной силы. Принято считать что земля имеет две поверхности
физическую образованную твердой оболочкой земли и уровневую поверхность мирового океана мысленно продолженную под сушей.
Тело ограниченное уровненной поверхностью называется геоидом . Геоид имеет сложную форму и не выражается математическим способом.
В связи с этим для математической обработки результатов геодезических измерений и построений топокарт используют другую фигуру эллипсоид вращения.
Земной эллипсоид характеризуется размерами:
а – большой полуаси
б – малой полуаси
или полярным сжатием
Несмотря на то что поверхность геоида отклоняется или различается от поверхности эллипсоида на 105 м в практике инженерно геодезических работ принято считать одинаковыми.
И за уровненную поверхность принимается средний многолетний уровень балтийского моря.
Для различных расчетов используется радиус шара равновеликого эллипсоиду и равный R=6371,1 км
Понятие о географ. корд.
Широта, долгота. Минутная географич. рамка карты.
положение точки на земной поверхности в системе географических координат определяется двумя углами – широтой (φ) и долготой (λ).
СА 0 Ю – Гринвичский меридиан
СМ 0 Ю – меридиан проходящий через т М, координаты которой необходимо определить
МО – отвесная линия точки М
QQ 1 – плоскость экватора
В этой системе за координатную поверхность принимается шар, а за координатные линии – географич.(ист) меридианы и параллели.
Сечения поверхности шара плоскостями, проходящими через полярную ось вращения Земли называют меридианами . За начальный принят меридиан, проходящий через центр зала Гринвичской обсерватории вблизи Лондона.
Сечения поверхности шара плоскостями, перпендик. к оси вращ. Земли наз. параллелями . Параллель, плоскость которой проходит через центр шара O, наз. экватором .
Долгота –это двухгранный угол между нулевым меридианом и меридианом проходящим через точку. Она бывает западной и восточной.Измеряется в градусах. От 0 до 180
Широта –это угол между плоскостью экватора и параллелью проведённой через точку.1 градус-111 км. От 0 до 90
Прямоугольные координаты Х и У. Зональная система координат Гаусса-Крюгера.
Положение пунктов на физической поверхности Земли определяется в различных системах координат. Рассмотрим Прямоугольные местные координаты. Они являются производными от зональной системы координат Гаусса-Крюгера (см. п.7) и распространяются на небольшой по площади территории. Ось абсцисс совмещают с меридианом некоторой точки участка либо ориентируют параллельно основным осям инженерных сооружений. Координатные четверти нумеруют по часовой стрелке и именуют по сторонам света: I-СВ, II-ЮВ, III-ЮЗ, IV-СЗ.
