Układy odniesienia, siatki

Wydawać by się mogło, że podanie pozycji we współrzędnych geograficznych (szerokość i długość geograficzna) jest jednoznaczne i wystarczające. Tak jednak nie jest.
Współrzędne geograficzne konkretnego punktu w terenie, przedstawiane w różnych układach odniesienia mają różne wartości liczbowe, na przykład ten sam punkt w Tarnowie ma w trzech układach różne zapisy:

W polskich szerokościach geograficznych 1" w kierunku E-W to prawie 20m, a N-S to około 30m.
Jeśli ustawić układ odniesienia odbiornika GPS na najbardziej popularny WGS84, to pracując z mapami w układzie Pułkowo 42, w Polsce, największa niezgodność wyniesie ok. 6" czyli 120m!
Różnych układów odniesienia jest na świecie kilkaset, GPS38 i GPS12 mają ich do wyboru około 100 (pośród nich tak egzotyczne jak Zanderij dla Surinamu czy Cape dla Południowej Afryki). Niestety, znane mi, szeroko obecnie dostępne w Polsce mapy topograficzne są wykonane głównie w układzie Pułkowo 1942, a tego akurat układu te odbiorniki nie uwzględniają.
Należy o tym pamiętać posługując się różnymi mapami i wymieniając informacje o położeniu punktu w terenie.

Inną charakterystyczną cechą mapy topograficznej jest siatka kilometrowa. Podawanie pozycji na mapie względem siatki kilometrowej jest bardzo wygodne i stosowane między innymi w wojsku. Istnieje światowy system UTM/UPS opisu dowolnej pozycji na Ziemi przy pomocy ciągu liter i liczb. W przybliżeniu i w skrócie polega on na podawaniu odległości od równika i od jednego z południków rozmieszczonych co 6°, oraz symbolu obszaru. Nawet najprostsze odbiorniki GPS podają pozycję we współrzędnych UTM oraz w siatce tajwańskiej, niemieckiej itp. Dla przykładu punkt o współrzędnych E022° 00' 00", N50° 00' 00" w siatce UTM ma zapis 34U 0571666 5539110.
Niestety, znane mi, dostępne w Polsce mapy mają siatki kilometrowe w systemach, nie uwzględnianych przez wiele odbiorników, w tym GPS38.

W odbiornikach posiadających możliwość definiowania układu odniesienia i siatki użytkownika (user datum, user grid) np. GPS12XL, można wpisać odpowiednie parametry tak, żeby odbiornik podawał pozycję we współrzędnych odpowiednich dla danej mapy. Jak to zrobić podaję TUTAJ

Dostepne mapy

Odbiornik GPS jest praktycznie bezużyteczny bez odpowiednich map. Istotą jego działania jest wskazywanie pozycji geograficznej czyli pozycji na mapie. Jak zaznaczyłem powyżej nawet to nie jest takie proste.
Sprawa się jeszcze bardziej komplikuje, kiedy odbiornika zaprojektowanego dla NATO (?) próbuje się używać z mapami pozostałymi po Układzie Warszawskim.

W Polsce czasów PRL właściwie wszystko było tajne (przed przeczytaniem zniszczyć). Tajne były także mapy topograficzne. Po roku 90 nieco się zmieniło. W Wojewódzkich Urzędach Geodezyjnych można (było) kupić mapy m. in. w skali 1:50 000 i 1:25 000 wydane przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii w latach 70; mapy z nadrukiem "POUFNE Egz. nr xxx".; pamiętam, że ich zakupowi towarzyszył dreszczyk emocji... .
Są to mapy w siatce kilometrowej, w układzie współrzędnych "65". Wystarczająco dokładne do turystyki pieszej i rowerowej, choć ich aktualność odnosi się do lat 60/70. Nie jest to wbrew pozorom ich największa wada; kapliczki, drogi, szczyty itp. jeśli istnieją na mapie, to prawdopodobnie istnieją nadal w terenie. Wadą jest układ współrzędnych nie uwzględniany w prostych odbiornikach GPS.
Prymitywnym ale skutecznym sposobem na wykorzystanie tej mapy do współpracy z GPS (np. w programie Quovadis), jest jej zeskanowanie i wyskalowanie współrzędnymi zmierzonymi odbiornikiem GPS w terenie. Dobry pretekst do wędrówek rowerowych i pieszych!
Można także odpowiednio skonfigurować odbiornik GPS, jeśli posiada opcję "user datum, user grid". Jak to zrobić podaję TUTAJ

W księgarniach jest dostępna "Mapa Topograficzna Polski" wydana przez Oddział Topograficzny Sztabu Gen. WP. Arkusze tej mapy w skali 1:100 000 ukazują się sukcesywnie od początku lat 90. Do tej chwili wydano około 140 arkuszy spośród 150 pokrywających Polskę.
Mapa posiada siatkę kilometrową, niestety inną niż UTM. W kierunku E-W siatka prawie pokrywa się z UTM, ale w kierunku N-S róznica w stosunku do UTM wynosi ~2,3km na południu Polski i ~2,5km na północy (nie jest "całkowita").
Posiada też ramkę ze współrzędnymi geograficznymi, które przy tej skali mapy można uznać za tożsame z układem WGS84 (błąd rzędu 100m; w praktyce większe błędy powstają przy odnoszeniu punktu na mapie do współrzędnych na ramce; korzystanie ze współrzędnych geograficznych na ramce mapy, bez linii siatki jest kłopotliwe).

Uwaga 1.
Omawiane mapy są wykonane w układzie odniesienia Pulkowo1942 z odwzorowaniem Gaussa-Krugera, na elipsoidzie Krassowskiego. 
Siatka kilometrowa jest podobna do UTM, a wspomniane praktyczne różnice, zwłaszcza w kierunku N-S wynikają z dwóch głównych przesłanek: różna jest długość południka elipsoidy Krassowskiego i elipsoidy WGS84, oraz (zwłaszcza) różny jest współczynnik odwzorowania 
Biorąc współrzędną "kilometrową" szerokości geograficznej odczytaną z tej mapy przemnożoną przez 0,9996, a współrzędną długości geograficznej "wprost", otrzymamy przybliżone współrzędne UTM. 
Ustawienie odbiornika GPS, w którym można definiować własny układ odniesienia i własną siatkę podałem TUTAJ

Uwaga 2.
Mimo swoich wad mapy te są bardzo użyteczne; przykład: Miałem we Lwowie odnaleźć kościółek św. Zofii. Zaznaczony był na skserowanym przedwojennym planie. Przed wyjazdem zeskanowałem fragment arkusza "M-34-83/84, M35-73 Lwów" Mapy Topograficznej Polski w części dotyczącej miasta i skalibrowałem w programie Quovadis. Porównałem układ ulic na obu planach i określiłem prawdopodobny punkt; współrzędne wpisałem do GPS. Na miejscu, korzystając z oficjalnego planu Lwowa, kościółka nie udawało mi się odnaleźć mimo krążenia autem pobliskimi ulicami. A GPS uparcie pokazywał że gdzieś tu... W końcu spostrzegłem krzyż pomiędzy drzewami na wzgórzu. Kościółek z dala niewidoczny, jednak był.)

Istnieje komplet 4 map (samochodowych) Polski w skali 1:300 000 wydany przez RV Reise- und Verkehrsverlag (Niemcy). Mapy posiadają siatkę geograficzna co 10'.

Polskie Przedsiębiorstwo Wydawnictw Kartograficznych im. Eugeniusza Romera S.A. wydało komplet 8 Map Krajoznawczych w skali 1:300 000. Siatka geograficzna co 20'.

Istnieją szczegółowe mapy typu "Okolice Czegośtam", np. mapa "Okolice Krakowa" w skali 1:50 000 wydana przez WZKart. Na tej mapie naniesiono jakąś siatkę kilometrową (dla GPS nieprzydatną) i siatkę geograficzną co 5'. Ta ostatnia umożliwia łatwe skalibrowanie zeskanowanych fragmentów wielkości A4.

W połowie roku 1999 pokazały się mapy "Okolice Czegośtam" z napisem GPS  wydane przez WZKart. Mają siatkę co 1' w układzie WGS84. To jest prawie to!. Ale...
Pojawił się groźnie brzmiący napis (którego nie było na starszych mapach) "Wszelkie prawa zastrzeżone. Zadna część niniejszego opracowania nie może być reprodukowana ani przetwarzana w sposób elektroniczny, mechaniczny, i inny oraz nie może być przechowywana w żadnej bazie bez pisemnej zgody Wydawcy." Czyli współrzędne planowanej trasy mam czytać z mapy ekierką, zapisywać na kartce i wklepywać do GPS ręcznie?!

Podobna formułka znajduje się w "Atlasie drogowym" wydanym przez Geocenter a drukowanym przez WZKart. Gdyby nie ona, mógłbym polecić ten atlas dla samochodowych zastosowań GPS. Po rozebraniu na arkusze, atlas daje się łatwo skanować. Każdą stronę można skalibrować na podstawie siatki poprowadzonej co 10'.
Gdyby nie owa formułka mógłbym stwierdzić, że waypointy określone na podstawie zeskanowanej i skalibrowanej mapy na trasie Mielec - Kraków zgadzają się ze wskazaniami GPS z dokładnością rzędu 100m. Można by było przy pomocy tego atlasu planować (i analizować) trasy GPS

 "Bieszczady i Góry Sanocko-Turczańskie  mapa turystyczna", 1:75 000, wydanie pierwsze, PPWK. Posiada siatkę współrzędnych geograficznych co 1'. Prawie na pewno nie jest to WGS84, raczej Pułkowo 1942, a może jakiś układ przedwojenny (tak mi wynika z porównania współrzędnych niektórych punktów odczytanych na tej mapie i tych samych punktów na mapie "65" 1:50 000 odpowiednio przeliczonych - w Bieszczadach z GPS jeszcze nie byłem).

Podczas wizyt na Ukrainie odkryłem istnienie ukraińskich map topograficznych! Jest to taka sama seria map, jak polskie 1:100 000, o których wspominam wyżej. Mapy, opisane po rosyjsku, mają siatkę kilometrową, ale ... nie mają żadnych opisów na ramce! (wspomnienie po "przed przeczytaniem zniszczyć"). Po prostym porównaniu z polskimi mapami na zazębiających się obszarach okazuje się, że ukraińskie są wykonane w tym samym systemie "1942". Po stwierdzeniu tego faktu, odgadnięcie brakujących współrzędnych geograficznych naroży mapy i opisów siatki kilometrowej staje się łatwe.

Mapy mogą być bardzo atrakcyjne dla turystów wybierających się np. w Gorgany czy Czarnohorę, ale... we Lwowie (czerwiec 2001) nie udało mi się kupić arkuszy pokrywających te obszary (165/184, 126/145) - zostały już wykupione!

Mapy wydała (przepraszam za transkrypcję) Kijewskaja Wojenno-Kartograficzieskaja Fabrika, Kijew, ul. Szołudienko 27/6, tel. (044) 236 96 29, 274 62 69, Faks (044) 274 61 48. Cena "dogoworna" 3 grywny za arkusz zawierający dwie mapy.

Dla turystów udających się na dawne kresy polskie, na Ukrainę, przydatne być mogą reprinty przedwojennych map WIG (Wojskowy Instytut Geograficzny). Reprinty wydaje PTR Kartografia 00-490 Warszawa ul. Wiejska 20/117. Kopie są słabo czytelne, ale czasem lepsze coś niż nic.