نظام الإسناد المكاني

نظام الإسناد المكاني (بالإنجليزية: spatial reference system (SRS))‏ أو نظام الإحداثيات المرجعي (بالإنجليزية: coordinate reference system (CRS))‏ هو إطار يستخدم لقياس المواقع كإحداثيات على سطح الأرض بدقة.

يعتمد نظام الإسناد المكاني على الرياضيات المجردة مثل أنظمة الإحداثيات والهندسة التحليلية لتمثيل وتحليل الفضاء الجغرافي.

تشتمل مواصفات نظام الإسناد المكاني الخاصة على مجموعة من المعلومات التي تحدد كيفية تحديد موقع نقطة ما على سطح الأرض. تتضمن هذه المعلومات ما يلي: إهليلجية الأرض: الشكل الأرض الحقيقي والذي يختلف عن الشكل الكروي المثالي، والمسند الأفقي: هو نظام يربط بين النقاط على سطح الأرض، وإسقاط الخريطة: عملية تحويل الإحداثيات الجغرافية إلى إحداثيات على الخريطة، ونقطة الأصل: هي النقطة التي تحدد مبدأ نظام الإحداثيات، ووحدة القياس: هي وحدة تستخدم لقياس المسافات بين النقاط.

ومن الامثلة على ذلك نظام الإسقاط مركاتور المستعرض العالمي WGS 84 Zone 16N هو نظام إسناد مكاني خاص يعتمد على إهليلجية WGS 84، والمسند الأفقي العالمي، وإسقاط مركاتور المستعرض، ونقطة الأصل في مركز المنطقة 16 شمالًا، ووحدة القياس هي متر.

توجد آلاف أنظمة الإحداثيات المختلفة، منها ما يستخدم في جميع أنحاء العالم، ومنها ما يستخدم في مناطق محددة، ومنها ما يستخدم لأغراض معينة. أدى ذلك إلى الحاجة إلى إجراء تحويلات بين هذه الأنظمة المختلفة لضمان دقة تحديد المواقع.

أصبحت أنظمة الإسناد المكاني اليوم والتي تعود جذورها إلى الفترة الهيلينية أساسًا لعلوم وتقنيات المعلوماتية الجغرافية، بما في ذلك رسم الخرائط ونظم المعلومات الجغرافية والمسح والاستشعار عن بعد والهندسة المدنية. وقد أدى ذلك بدوره إلى توحيدها في المواصفات الدولية، مثل ترميز EPSG، وISO 19111: 2019 المعلومات الجغرافية - الإسناد المكاني حسب الإحداثيات. وقد أعدت هذه المواصفة من قبل ISO / TC 211، ونشرها أيضا الاتحاد الجغرافي المكاني المفتوح كمواصفات مجردة، الموضوع 2: الإسناد المكاني حسب الإحداثيات.

نظام الإسناد المكاني - الأنواع

إحداثيات محورية ثابتة تعتمد على مركز الأرض وخطي العرض والطول

تعتمد الآلاف من أنظمة الإسناد المكاني المستخدمة اليوم على عدد قليل من الاستراتيجيات العامة المحددة في معايير EPSG و ISO و OGC:

• نظام الإحداثيات الجغرافية (أو الجيوديسية): وهو نظام إحداثيات يُستخدم لتحديد المواقع على سطح الأرض، ويستند إلى مبدأ تقسيم سطح الأرض إلى شبكة من خطوط الطول ودوائر العرض. وخطوط الطول هي خطوط وهمية تمتد من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي، وتُقاس من خط الطول الرئيسي، وهو خط يمر بمدينة غرينتش في إنجلترا. أما دوائر العرض فهي بدورها خطوط وهمية تحيط بخط الاستواء، وتُقاس من خط الاستواء، وهو خط يمر في وسط الأرض ويقسمها إلى نصفين متساويين، نصف شمالي ونصف جنوبي. ودرجات الطول والعرض: تُقاس خطوط الطول ودوائر العرض بدرجات، بدءًا من 0 درجة عند خط الطول الرئيسي وخط الاستواء، وتنتهي بـ 180 درجة في كل اتجاه.

  مثال: تقع مدينة القاهرة في مصر على خط عرض 30 درجة شمالًا وخط طول 31 درجة شرقًا.

• نظام إحداثيات مركزية الأرض: يُعرف أيضًا باسم نظام الإحداثيات الثابت للأرض محوره الأرض، وهو نظام إحداثيات ثلاثي الأبعاد يمثل الأرض كجسم ثلاثي الأبعاد. يُحدد موقع أي نقطة على الأرض من خلال إحداثييها في هذا النظام، والذين يُعرفان باسم خط العرض وخط الطول والارتفاع.

  نقطة الأصل: تقع نقطة الأصل في نظام إحداثيات مركزية الأرض في مركز الأرض. هذا يعني أن أي نقطة على الأرض تقع عند مسافة معينة من مركز الأرض، والتي يمكن حسابها باستخدام الإحداثيات الثلاثة.

  المحاور: تحدد ثلاثة محاور نظام الإحداثيات. يشير المحور x إلى خط الاستواء، ويشير المحور y إلى خط الطول الرئيسي، ويشير المحور z إلى القطب الشمالي.

  يستخدم نظام إحداثيات مركزية الأرض في العديد من التطبيقات، بما في ذلك: تتبع مدارات الأقمار الصناعية وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية والتطبيقات الجيوفيزيائية

  من الأمثلة على استخدام نظام إحداثيات مركزية الأرض هو تحديد موقع مدينة القاهرة. تقع القاهرة عند خط عرض 30 درجة شمالًا وخط طول 31 درجة شرقًا. هذا يعني أن القاهرة تقع على بعد 30 درجة من خط الاستواء في اتجاه الشمال، وعلى بعد 31 درجة من خط الطول الرئيسي في اتجاه الشرق.

  مثال آخر هو تحديد موقع قمر صناعي في مدار حول الأرض باستخدام الإحداثيات الثلاثة التالية: خط العرض، وخط الطول، والارتفاع.

• نظام الإحداثيات الهندسية وهو نظام إحداثيات ديكارتي (ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد) يوجد خصيصًا للمناطق الصغيرة وغالبًا ما تكون مشروعًا هندسيًا واحدًا، حيث يمكن تقريب انحناء الأرض بأمان على أنه مسطح بأقل تشويه.

  عادةً ما يقاس الموقع مباشرةً من نقطة منشأ كيفية (اعتباطية) باستخدام تقنيات المسح. قد تكون أو لا تكون محاذية مع نظام إحداثيات قياسي متوقع. إحداثيات مستوى الظل المحلية هي نوع من نظام الإحداثيات المحلية المستخدمة في الطيران والمركبات البحرية.

تؤكد هذه المعايير على وجود أنظمة مرجعية قياسية لقياس الارتفاع، حيث تعتمد هذه الأنظمة على الإسناد الرأسي والوقت (مثل معيار ISO 8601). ويمكن دمج هذه الأنظمة مع أنظمة مرجعية مكانية لتشكيل نظام إحداثيات مركب يمثل المواقع ثلاثية الأبعاد أو المكانية الزمانية.

هنالك أيضًا أنظمة إحداثيات داخلية بالإضافة إلى أنظمة الإحداثيات الخارجية، تستخدم لقياس الموقع في سياق كائن ما. ومن الأمثلة على ذلك:

• صفوف وأعمدة وحدات البكسل في الصورة النقطية، حيث يمثل كل صف أو عمود نقطة محددة في الصورة.
• قياسات المراجع الخطية على طول الميزات الخطية، مثل معالم الطرق السريعة. حيث يتم استخدام نقاط مرجعية محددة على طول الطريق لتحديد الموقع النسبي للنقاط الأخرى على الطريق.
• أنظمة تحديد الموقع داخل الأجسام المتحركة، مثل السفن. حيث يستخدم نظام إحداثيات داخلي لتحديد مواقع الأشياء داخل السفينة، مثل أجزاء المحرك أو المعدات.

غالبًا ما تُصنَّف أنظمة تحديد الموقع داخل الأجسام المتحركة كفئات فرعية من أنظمة الإحداثيات الهندسية، حيث تستخدم المبادئ الهندسية لتحديد الموقع.

مكونات نظام الإسناد المكاني

يكمن الهدف الأسمى لنظام الإسناد المكاني في إرساء إطار مرجعي مشترك، حيث يمكن تحديد إحداثيات المواقع بدقة واتساق لمشاركتها بعد ذلك دون أي لبس، بحيث يتمكن أي مستقبل من تحديد نفس الموقع الذي قصده المرسل في الأصل.[3] ولتحقيق ذلك الهدف ينبغي أن يتكون تعريف أي نظام إسناد مكاني من عدة مواصفات:

• نظام إحداثي: وهو إطار عمل تجريدي لقياس المواقع. يتكون من فضاء قابل للقياس مثل أي نظام إحداثيات رياضي (سواء كان مستوى أو فراغًا ثلاثي الأبعاد أو سطح كوكب الأرض)، ونقطة أصلية، ومجموعة من متجهات المحاور المنبثقة من الأصل، ووحدة قياس.
• مسند أفقي يربط نظام الإحداثيات المجرد بالفضاء الحقيقي للأرض. يمكن تعريف المسند الأفقي كإطار مرجعي دقيق لقياس الإحداثيات الجغرافية (خطوط الطول والعرض). والأمثلة عليه النظام الجيوديسي العالمي والمسند الأمريكي الشمالي لعامي 1927 و1983. يتكون المسند عموما من تقدير لشكل الأرض (إهليلجي في العادة) ونقطة ارتكاز واحدة أو أكثر أو نقاط تحكم، وهي مواقع محددة (غالبًا ما تُحدد بمعالم مادية) لتوثيق القياس بالاستناد عليها.
• لابد وأن يتضمن تعريف نظام الإحداثيات المرجعية المسقط على خيار إسقاط خرائطي لتحويل الإحداثيات الكروية المحددة بالمرجع إلى إحداثيات ديكارتية على سطح مستوٍ.

وبالتالي، فإن تعريف النظام المرجعي الإحداثي سيتكون عادةً من "مجموعة" من المواصفات التابعة، كما هو موضح في الجدول التالي:

كود EPSG	الاسم	إهليليجي	المسند الأفقي	CS Type	الإسقاط	الأصل	المحاور	وحدة القياس
4326	نظام الإحداثيات الجغرافية WGS 84	النظام المرجعي الجيوديسي 1980 GRS 80	النظام الجيوديسي العالمي WGS 84	إهليلجي (خط العرض، خط الطول)	غير متوفر	خط الاستواء/خط الطول الرئيسي	خط الاستواء، خط الطول الرئيسي	درجة أو قوس
26717	منطقة المستعرض العالمي مركاتور 17N NAD 27	كلارك 1866	مرجع أمريكا الشمالية 27	ديكارتي (x,y)	عرض مركاتور: خط الطول المركزي 81 درجة غربًا، بمقياس 0.9996	500 كم غرب (81 درجة غربًا، 0 درجة شمالًا)	خط الاستواء، خط الطول 81° غربا	متر
6576	SPCS تينيسي المنطقة NAD 83 (2011) ftUS	النظام المرجعي الجيوديسي 1980 GRS 80	مرجع أمريكا الشمالية 83	ديكارتي (x,y)	لامبرت مخروطي الشكل: مركزه 86° غربًا، 34° 20' شمالًا، خطي التوازي القياسي 35° 15' شمالًا، 36° 25' شمالًا	شبكة بطول 600 كيلومتر غرب نقطة المركز	الشبكة شرقا عند نقطة الوسط، خط الطول 86° غربا	قدم مساحية أمريكية

أمثلة حسب القارة

آسيا

• كود شبكة الملاحة العالمية الصينية، الصين
• نظام إسقاط ميركاتور المستعرض الأردني، الأردن

أوروبا

• النظام المرجعي للشبكة الوطنية البريطانية، بريطانيا
• لامبرت-93 (الاب)، الإسقاط الرسمي في متروبوليتان فرنسا
• النظام المرجعي الجيوديسي الهيليني 1987، اليونان
• النظام المرجعي للشبكة الأيرلندية، أيرلندا
• نظام إسقاط ميركاتور المستعرض الأردني الأيرلندي، أيرلندا
• سويرف 99 (سفت)، السويد

أمريكا الشمالية

• شبكة الولايات المتحدة الوطنية، الولايات المتحدة

جميع أنحاء العالم

• نظام إسقاط ميركاتور المستعرض العالمي
• إسقاط لامبرت المخروطي المطابق
• نظام ترميز الخرائط الدولي
• النظام المرجعي للشبكة العسكرية

المعرفات

معرفات النُظم المرجعية المكانية (SRIDs) هي قيم فريدة تُستخدم لتحديد تعريفات نظم الإحداثيات المكانية المُسقَطة وغير المُسقَطة والمحلية تحديدًا لا لبس فيه. وتشكل هذه النظم المرجعية جوهر جميع تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية (GIS).

تُعدُّ هذه المعرفات المفتاح الأساسي لجدول بيانات "spatial_ref_sys" التابع للاتحاد الجيومكاني المفتوح (بالإنجليزية: Open Geospatial Consortium (OGC))‏ والذي يستخدم في معيار "الميزات البسيطة لمواصفات SQL" (الإصداران 1.1 و1.2)، والذي يُعرَّف على النحو التالي:

CREATE TABLE SPATIAL_REF_SYS
(
    SRID      INTEGER   NOT NULL PRIMARY KEY,
    AUTH_NAME CHARACTER VARYING(256),
    AUTH_SRID INTEGER,
    SRTEXT    CHARACTER VARYING(2048)
)

تُستخدم معرفات نظام الإحالة المكانية في قواعد البيانات المعدة للتعامل مع البيانات المكانية (مثل IBM Db2 و IBM Informix و Ingres و Microsoft SQL Server و MonetDB و MySQL و Oracle RDBMS و Teradata و PostGIS و SQL Anywhere و Vertica)، لتحديد أنظمة الإحداثيات تحديداً فريدًا.

تُستخدم هذه المعرفات لتحديد الأنظمة المطبقة لتعريف أعمدة البيانات المكانية أو الكائنات المكانية الفردية داخل عمود مكاني (حسب التطبيق المكاني).

ترتبط معرّفات نظام الإسناد المكاني عادةً بتمثيل نص معروف للأنظمة المرجعية الإحداثية (بالإنجليزية: well-known text (WKT))‏. وإليكم نظامي إحداثيات شائعين، مع قيمة معرف SRID الخاص بهم، متبوعة بتنسيق WKT الخاص بهما:

UTM, Zone 17N, NAD27 — SRID 2029:

PROJCS["NAD27(76) / UTM zone 17N",
    GEOGCS["NAD27(76)",
        DATUM["North_American_Datum_1927_1976",
            SPHEROID["Clarke 1866",6378206.4,294.9786982138982,
                AUTHORITY["EPSG","7008"]],
            AUTHORITY["EPSG","6608"]],
        PRIMEM["Greenwich",0,
            AUTHORITY["EPSG","8901"]],
        UNIT["degree",0.01745329251994328,
            AUTHORITY["EPSG","9122"]],
        AUTHORITY["EPSG","4608"]],
    UNIT["metre",1,
        AUTHORITY["EPSG","9001"]],
    PROJECTION["Transverse_Mercator"],
    PARAMETER["latitude_of_origin",0],
    PARAMETER["central_meridian",-81],
    PARAMETER["scale_factor",0.9996],
    PARAMETER["false_easting",500000],
    PARAMETER["false_northing",0],
    AUTHORITY["EPSG","2029"],
    AXIS["Easting",EAST],
    AXIS["Northing",NORTH]]

WGS84 — SRID 4326

GEOGCS["WGS 84",
    DATUM["WGS_1984",
        SPHEROID["WGS 84",6378137,298.257223563,
            AUTHORITY["EPSG","7030"]],
        AUTHORITY["EPSG","6326"]],
    PRIMEM["Greenwich",0,
        AUTHORITY["EPSG","8901"]],
    UNIT["degree",0.01745329251994328,
        AUTHORITY["EPSG","9122"]],
    AUTHORITY["EPSG","4326"]]

تؤدي قيم معرّفات أنظمة المرجع المكاني، المقترنة بالبيانات المكانية، دورًا محوريًا في تحديد نطاق العمليات التي يمكن إجراؤها على تلك البيانات. فبينما تتيح هذه القيم إجراء العمليات المكانية بسلاسة بين كائنات تحمل معرّفات متطابقة، فإنها تقيّد إجراء تلك العمليات بين كائنات ذات معرّفات مختلفة، مما قد يفرض تحويلات بين أنظمة الإحداثيات في بعض الأنظمة.