简短答案是 WGS84,而简短答案不足以支撑任何实操。基准面不是一个固定的东西—— 它是椭球加一次实现,而随着卫星星座和全球跟踪网不断改进,WGS84 已经被实现过多次。 与它并列的还有 NAD83(美国大部分测绘数据实际基于它)和 ITRF(科学框架,而且在移动)。 本文讲清这在实践中意味着什么,以及差别小到什么程度就可以忽略。
基准面是对两件事做出的决定。第一是椭球——一个用来近似地球形状的光滑数学曲面, 由长半轴和扁率定义。第二是定位与定向:这个椭球相对真实地球放在哪里、怎么转。 纬度、经度和椭球高都是相对那个曲面测量的,所以一个不带基准面的坐标, 就像一层不带楼面标高的房间高度。
在历史上第二部分极其重要。例如 NAD27 是拿堪萨斯州 Meades Ranch 的单一原点去拟合 北美大陆的,所以它把美国拟合得非常好,其他地方则完全不贴合。NAD83 改为地心原点, 这就是为什么基准面更换时坐标会移动最多约 100 m——不是因为谁搬家了, 而是因为这些坐标所依据的那个曲面换了。
WGS84 是 GPS 星座所广播的基准面。它定义于 1984 年,此后经过多次精化—— WGS84(G730)、(G873)、(G1150)、(G1674)、(G1762) 等等——每一次都是一个新的实现, 随着跟踪数据改善,把 WGS84 与国际地表参考框架对得更准。椭球始终没变,对齐在不断收紧。 最早的实现与现在之间的差别量级是米,而相邻的现代实现之间是厘米。
对大多数工作而言这个粒度无关紧要,因为手持接收机本来就达不到米的精度。 但对网络 RTK、以及任何量测到两厘米的工作来说就重要了:在那里, 实现版本和历元都是坐标身份的一部分。
| 基准面 | 椭球 | 使用范围 | 与 WGS84 的典型偏差 |
|---|---|---|---|
| WGS84 | WGS84(a = 6,378,137 m,1/f = 298.257223563) | GPS 广播、全球导航 | 参照基准 |
| NAD83 | GRS80(a = 6,378,137 m,1/f = 298.257222101) | 美加测绘、州平面坐标、多数国家级数据集 | 约 1–2 m,基本固定 |
| ITRF | 与 GRS80 兼容 | 科学定位、全球参考框架 | 厘米级,且随时间变化 |
| NAD27 | Clarke 1866 | 1980 年代以前的美国旧记录 | 最大约 100 m |
这张表里有两点值得单独拎出来。第一,WGS84 与 GRS80 的长半轴相同,只在扁率的第 11 位 有效数字上不同——所以对任何陆地上的用途来说,这两个椭球实际上是完全一样的。 第二,NAD83 与 WGS84 尽管椭球几乎重合,却不是同一个框架。它们对齐到不同的实现, 已经偏离了大约一米,这就是为什么一个标着 NAD83 的坐标与同一个标着 WGS84 的坐标 描述的是相距约一米的两点。
地球表面并不是静止的。板块以每年几厘米的速率移动——北美外侧的太平洋板块每年移动好几厘米, 即便是大陆内部相对稳定的区域也在漂移。因此一个固定在地壳上的基准面, 相对一个固定在地心的基准面就会不断累积差异,而且这个差异随时间增大。
这就是现代坐标有时会在基准面旁边附带历元的原因,写成 NAD83(2011) 或 ITRF2014、epoch 2010.000 这样。一个不带历元的坐标,是某个未言明时刻的位置, 而十年下来这个含糊可以有好几厘米。对地界工作而言这远在容差之内; 对变形监测而言,它就是信号本身。
无所谓的那一米,与有所谓的那一米。一米的基准面差异,在步道地图上看不出来, 在地界测量、管线记录或竣工测量里则不可接受。判断标准不是测量本身有多准, 而是这两份数据将来会不会叠在一起或互相比较。在同一幅叠加图里混用 NAD83 与 WGS84, 会让要素产生系统性、且极难理清的错位。
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