Datum geodésico

Un datum geodésico o sistema geodésico (también: datum de referencia geodésico , sistema de referencia geodésico , marco de referencia geodésico o marco de referencia terrestre ) es un datum de referencia global o marco de referencia para representar inequívocamente la posición de ubicaciones en la Tierra mediante coordenadas geodésicas (y coordenadas verticales relacionadas ) o coordenadas geocéntricas . ^{[ 1 ]} Los datums ^{[ nota 1 ]} son ​​cruciales para cualquier tecnología o técnica basada en la ubicación espacial, incluyendo la geodesia , la navegación , la topografía , los sistemas de información geográfica , la teledetección y la cartografía . Un datum horizontal se utiliza para medir una posición horizontal , a través de la superficie de la Tierra , en latitud y longitud u otro sistema de coordenadas relacionado. Un datum vertical se utiliza para medir la elevación o profundidad relativa a un origen estándar, como el nivel medio del mar (NMM). Un datum tridimensional permite expresar los componentes de posición horizontal y vertical de forma unificada. ^{[ 2 ]} El concepto puede generalizarse para otros cuerpos celestes como en los datos planetarios .

Desde el auge del sistema de posicionamiento global (GPS), el elipsoide y el datum WGS 84 que utiliza han reemplazado a la mayoría de los demás en numerosas aplicaciones. El WGS  84 está diseñado para uso global, a diferencia de la mayoría de los datums anteriores. Antes del GPS, no existía una forma precisa de medir la posición de un lugar alejado de los puntos de referencia utilizados para la realización de datums locales, como el meridiano de Greenwich en el Observatorio de Greenwich para la longitud, el ecuador para la latitud o la costa más cercana para el nivel del mar. Los métodos astronómicos y cronológicos tienen una precisión y exactitud limitadas, especialmente en largas distancias. Incluso el GPS requiere un marco predefinido sobre el cual basar sus mediciones, por lo que el WGS  84 funciona esencialmente como un datum, aunque difiere en algunos aspectos de un datum horizontal o vertical estándar tradicional.

Una especificación de datum estándar (ya sea horizontal, vertical o 3D) consta de varias partes: un modelo de la forma y dimensiones de la Tierra, como un elipsoide o geoide de referencia ; un origen en el que el elipsoide/geoide se vincula a una ubicación conocida (a menudo marcada) en la superficie o en el interior de la Tierra (no necesariamente en 0 latitud 0 longitud); y múltiples puntos de control o de referencia que se han medido con precisión desde el origen y se han marcado físicamente. Luego, las coordenadas de otros lugares se miden desde el punto de control más cercano mediante levantamientos topográficos . Debido a que el elipsoide o geoide difiere entre los distintos datums, junto con sus orígenes y orientación en el espacio, la relación entre las coordenadas referidas a un datum y las referidas a otro datum no está definida y solo puede aproximarse. Utilizando datums locales, la disparidad en el terreno entre un punto con las mismas coordenadas horizontales en dos datums diferentes podría alcanzar kilómetros si el punto está lejos del origen de uno o ambos datums. Este fenómeno se denomina cambio de datum o, más generalmente, transformación de datum , ya que puede implicar rotación y escalado, además de desplazamiento.

Debido a que la Tierra es un elipsoide imperfecto, los sistemas de referencia locales pueden ofrecer una representación más precisa de un área específica que el WGS  84. Por ejemplo, el sistema OSGB36 es una mejor aproximación al geoide que cubre las Islas Británicas que el elipsoide global WGS  84. ^{[ 3 ]} Sin embargo, dado que las ventajas de un sistema global suelen superar la mayor precisión, el sistema de referencia global WGS  84 se ha adoptado ampliamente. ^{[ 4 ]}

Los antiguos griegos conocían la naturaleza esférica de la Tierra y desarrollaron los conceptos de latitud y longitud, así como los primeros métodos astronómicos para medirlas. Estos métodos, preservados y perfeccionados por astrónomos musulmanes e indios, fueron suficientes para las exploraciones globales de los siglos XV y XVI.

Sin embargo, los avances científicos de la Ilustración permitieron reconocer los errores en estas mediciones y exigir mayor precisión. Esto condujo a innovaciones tecnológicas como el cronómetro marino de John Harrison (1735) , pero también a una revisión de las suposiciones subyacentes sobre la forma de la Tierra. Isaac Newton postuló que la conservación del momento lineal debería hacer que la Tierra fuera achatada (más ancha en el ecuador que la esfera correspondiente), mientras que los primeros estudios de Jacques Cassini (1720) lo llevaron a creer que la Tierra era prolata (más estrecha en el ecuador). Las posteriores misiones geodésicas francesas (1735-1739) a Laponia y Perú corroboraron las ideas de Newton, pero también descubrieron variaciones en la gravedad que, con el tiempo, darían lugar al modelo del geoide .

Un desarrollo contemporáneo fue el uso de la topografía trigonométrica para medir con precisión distancias y ubicaciones a grandes distancias. A partir de los levantamientos de Jacques Cassini (1718) y el Levantamiento Anglo-Francés (1784-1790) , a finales del siglo XVIII, las redes de control topográfico cubrían Francia y el Reino Unido . Proyectos más ambiciosos, como el Arco Geodésico de Struve a través de Europa del Este (1816-1855) y el Gran Levantamiento Trigonométrico de la India (1802-1871), requirieron mucho más tiempo, pero dieron como resultado estimaciones más precisas de la forma del elipsoide terrestre . La primera triangulación a través de los Estados Unidos no se completó hasta 1899.

El estudio realizado en Estados Unidos dio como resultado el Datum Norteamericano (horizontal) de 1927 (NAD  27) y el Datum Vertical de 1929 (NAVD29), los primeros datums estándar disponibles para uso público. Posteriormente, durante las décadas siguientes, se publicaron datums nacionales y regionales. La mejora de las mediciones, incluido el uso de los primeros satélites , permitió obtener datums más precisos a finales del siglo XX, como el NAD 83 en Norteamérica, el ETRS89 en Europa y el GDA94 en Australia. En esta época también se desarrollaron los primeros datums globales para su uso en sistemas de navegación por satélite , especialmente el Sistema Geodésico Mundial (WGS  84), utilizado en el sistema de posicionamiento global (GPS) de Estados Unidos, y el Sistema Internacional de Referencia Terrestre (ITRF), utilizado en el sistema Galileo europeo .

En coordenadas geodésicas , la superficie de la Tierra se aproxima mediante un elipsoide , y las ubicaciones cercanas a la superficie se describen en términos de latitud geodésica (${\displaystyle \phi }$), longitud (${\displaystyle \lambda }$), y altura elipsoidal (${\displaystyle h}$). ^{[ nota 2 ]}

La diferencia en las coordenadas entre sistemas de referencia se conoce comúnmente como desplazamiento de datum . Este desplazamiento puede variar de un lugar a otro dentro de un mismo país o región, y puede oscilar entre cero y cientos de metros (o varios kilómetros en algunas islas remotas). El Polo Norte , el Polo Sur y el Ecuador se encuentran en posiciones diferentes según el sistema de referencia, por lo que el Norte verdadero varía ligeramente. Los distintos sistemas de referencia utilizan diferentes interpolaciones para determinar la forma y el tamaño exactos de la Tierra ( elipsoides de referencia ). Por ejemplo, en Sídney existe una  diferencia de 200 metros (700 pies) entre las coordenadas GPS configuradas en GDA (basadas en el estándar global WGS  84) y AGD (utilizadas en la mayoría de los mapas locales), lo que representa un error inaceptablemente grande para algunas aplicaciones, como la topografía o la localización de puntos de buceo . ^{[ 7 ]}

La conversión de datum es el proceso de convertir las coordenadas de un punto de un sistema de datum a otro. Debido a que las redes de levantamientos en las que tradicionalmente se basaban los datums son irregulares y el error en los levantamientos iniciales no está distribuido uniformemente, la conversión de datum no puede realizarse utilizando una función paramétrica simple. Por ejemplo, la conversión de NAD 27 a NAD 83 se realiza utilizando NADCON (posteriormente mejorado como HARN), una cuadrícula ráster que cubre América del Norte, donde el valor de cada celda es la distancia de ajuste promedio para esa área en latitud y longitud. La conversión de datum puede ir acompañada frecuentemente de un cambio de proyección cartográfica .

Un datum de referencia geodésico es una superficie conocida y constante que se utiliza para describir la ubicación de puntos desconocidos en la Tierra. Dado que los datums de referencia pueden tener diferentes radios y centros, un punto específico en la Tierra puede tener coordenadas sustancialmente diferentes según el datum utilizado para realizar la medición. Existen cientos de datums de referencia desarrollados localmente en todo el mundo, generalmente referenciados a algún punto de referencia local conveniente. Los datums contemporáneos, basados ​​en mediciones cada vez más precisas de la forma de la Tierra, están diseñados para cubrir áreas más extensas. Los datums de referencia más comunes en América del Norte son NAD  27, NAD  83 y WGS 84 .

El Datum Norteamericano de 1927 (NAD  27) es "el datum de control horizontal para los Estados Unidos que fue definido por una ubicación y un acimut en el esferoide de Clarke de 1866, con origen en (la estación de levantamiento) Meades Ranch (Kansas) ". ... Se asumió que la altura geoidal en Meades Ranch era cero, ya que no se disponía de datos de gravedad suficientes, y esto era necesario para relacionar las mediciones de superficie con el datum. "Las posiciones geodésicas en el Datum Norteamericano de 1927 se derivaron de las (coordenadas de y un acimut en Meades Ranch) a través de un reajuste de la triangulación de toda la red en la que se introdujeron acimuts de Laplace y se utilizó el método de Bowie". ^{[ 8 ]} NAD  27 es un sistema de referencia local que cubre América del Norte.

El Datum Norteamericano de 1983 (NAD 83) es el datum de control horizontal para Estados Unidos, Canadá, México y Centroamérica, basado en un origen geocéntrico y el Sistema de Referencia Geodésica de 1980 ( GRS 80 ). Este datum, denominado NAD  83, se basa en el ajuste de 250 000 puntos, incluyendo 600 estaciones satelitales Doppler, que limitan el sistema a un origen geocéntrico. El NAD  83 puede considerarse un sistema de referencia local.

WGS  84 es el Sistema Geodésico Mundial de 1984. Es el marco de referencia utilizado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) y está definido por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial (NGA) (anteriormente Agencia Cartográfica de Defensa, luego Agencia Nacional de Imágenes y Cartografía).  El DoD utiliza WGS 84 para todas sus necesidades de cartografía, trazado de cartas, topografía y navegación, incluidas sus órbitas GPS de difusión y de alta precisión. WGS  84 se definió en enero de 1987 utilizando técnicas de topografía satelital Doppler. Se utilizó como marco de referencia para las efemérides (órbitas) GPS de difusión a partir del 23 de enero de 1987. A las 00:00 GMT del 2 de enero de 1994,  se mejoró la precisión de WGS 84 utilizando mediciones GPS. El nombre formal pasó a ser WGS  84 (G730), ya que la fecha de actualización coincidió con el inicio de la Semana GPS 730. Se convirtió en el marco de referencia para las órbitas de difusión el 28 de junio de 1994. A las 00:00 GMT del 30 de septiembre de 1996 (inicio de la Semana GPS 873), WGS  84 se redefinió de nuevo y se alineó más estrechamente con el marco ITRF 94 del Servicio Internacional de Rotación Terrestre (IERS). Entonces se denominó formalmente WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) se adoptó como marco de referencia para las órbitas de difusión el 29 de enero de 1997. ^{[ 9 ]} Otra actualización lo llevó a WGS 84 (G1674).   

El sistema de referencia mundial WGS  84, con una diferencia de menos de dos metros respecto al  sistema NAD 83 utilizado en Norteamérica, es el único sistema de referencia mundial vigente en la actualidad. El WGS  84 es el sistema de referencia predeterminado para las coordenadas almacenadas en dispositivos GPS recreativos y comerciales.

Se advierte a los usuarios de GPS que siempre deben verificar el datum de los mapas que utilizan. Para introducir, visualizar y almacenar correctamente las coordenadas del mapa, es necesario ingresar el datum del mapa en el campo correspondiente.

Las placas tectónicas de la Tierra se mueven unas con respecto a otras en diferentes direcciones a velocidades del orden de 50 a 100 mm (2,0 a 3,9 pulgadas) por año. ^{[ 24 ]} Por lo tanto, las ubicaciones en diferentes placas están en movimiento unas con respecto a otras. Por ejemplo, la diferencia longitudinal entre un punto en el ecuador en Uganda, en la placa africana , y un punto en el ecuador en Ecuador, en la placa sudamericana , aumenta en aproximadamente 0,0014 segundos de arco por año. Estos movimientos tectónicos también afectan la latitud.  

Si se utiliza un sistema de referencia global (como WGS 84 ), las coordenadas de un lugar en la superficie generalmente cambian de un año a otro. La mayoría de los mapas, como los de un mismo país, no abarcan varias placas tectónicas. Para minimizar los cambios de coordenadas en estos casos, se puede utilizar un sistema de referencia diferente, cuyas coordenadas estén fijas a esa placa en particular. Ejemplos de estos sistemas de referencia son NAD 83 para Norteamérica y ETRS 89 para Europa.

• Convenciones de ejes
• Sistema de coordenadas geocéntricas y fijas a la Tierra (ECEF)
• Sistema inercial centrado en la Tierra (ECI)
• Referencia de datum
• Figura de la Tierra
• Geoide
• Conversión de coordenadas geográficas
• Sistema de coordenadas proyectadas
• Sistema Internacional de Referencia Terrestre y Marco de Referencia
• Kilómetro cero
• Coordenadas locales del plano tangente
• Nivel de referencia de la ordenanza
• Hito
• Sistema de coordenadas planetarias
• Marco de referencia
• Cronología de las estimaciones de la Tierra
• Sistema Geodésico Mundial

1. Soffel, Michael; Langhans, Ralf (20 de junio de 2012). "Sistema de Referencia Terrestre". Sistemas de referencia espacio-temporal . Berlín, Heidelberg: Springer Berlín Heidelberg. doi : 10.1007/978-3-642-30226-8_8 . ISBN 978-3-642-30225-1ISSN 0941-7834​​ 
2. Babcock, Alice K.; Wilkins, George A. (1988) La rotación de la Tierra y los marcos de referencia para la geodesia y la geodinámica Springer ISBN 9789027726582
3. Lista de parámetros geodésicos para muchos sistemas de la Universidad de Colorado.
4. Gaposchkin, EM y Kołaczek, Barbara (1981) Sistemas de coordenadas de referencia para la dinámica de la Tierra Taylor & Francis ISBN 9789027712608
5. Kaplan, Comprensión del GPS: principios y aplicaciones , 1.ª ed. Norwood, MA 02062, EE. UU.: Artech House, Inc., 1996.
6. Notas del GPS
7. P. Misra y P. Enge, Señales, mediciones y rendimiento del sistema de posicionamiento global . Lincoln, Massachusetts: Ganga-Jamuna Press, 2001.
8. Peter H. Dana: Descripción general del sistema de referencia geodésico : gran cantidad de información técnica y análisis.
9. Servicio Geodésico Nacional de los Estados Unidos

• GeographicLib incluye la utilidad CartConvert, que convierte coordenadas geodésicas y geocéntricas ( ECEF ) o cartesianas locales (ENU). Esto proporciona resultados precisos para todos los puntos de entrada, incluidos los cercanos al centro de la Tierra.
• Una colección de funciones geodésicas que resuelven una variedad de problemas en geodesia en Matlab. Archivado el 7 de agosto de 2020 en Wayback Machine .
• Preguntas frecuentes de NGS: ¿Qué es un datum geodésico?
• Acerca de la superficie de la Tierra en kartoweb.itc.nl