مختصات جغرافیایی و طول عرض جغرافیایی چیست؟

تصور کنید هزار سال پیش، در میانه یک بیابان یا اقیانوس پهناور هستید. در آن زمان هیچ موبایل هوشمندی وجود ندارد، خبری از GPS نیست و حتی نقشه های کاغذی آن چنان دقیق نبودند. تنها چیزی که دارید، چشم هایتان برای دیدن ستاره ها، خورشید و زمین زیر پا، و حافظه تان برای به خاطر سپردن مسیر گذشته است. همین نیاز ساده ولی حیاتی – پیدا کردن “مکان” – باعث شد بشر از دیرباز به دنبال روشی دقیق، پایدار و علمی برای تعیین موقعیت خود باشد.

در گذشته اندازه گیری مکان بیشتر بر اساس مشاهده اجرام آسمانی و تطبیق با تقویم و ساعت انجام می شد. دریانوردان با مطالعه موقعیت خورشید و ستاره ها، موقعیت تقریبی خود را تعیین می کردند. اما این روش ها محدود، وقت گیر و وابسته به شرایط آب وهوایی بود. امروز، ما در عصری زندگی می کنیم که تنها با یک تلفن همراه و چند لمس ساده روی صفحه می توانیم بدانیم دقیقاً کجای زمین ایستاده ایم، فاصله ما تا مقصد چقدر است و حتی مسیر بهینه رسیدن به آن را پیدا کنیم. پشت این ظاهر ساده، یک سیستم علمی دقیق به نام سیستم مختصات جغرافیایی قرار دارد که نتیجه صدها سال تلاش دانشمندان، ریاضی دانان، جغرافی دانان و مهندسان است.ابوریحان بیرونی یکی از اشخاص مهم در حوزه تعیین موقعیت بر روی زمین بود که زحمات بسیاری در این حوزه کشید. 

در این مقاله قصد داریم به توضیح کامل این موضوع بپردازم به طوری که هر شخصی چه نقشه بردار و چه اشخاص عادی کاملاً متوجه موضوع مقاله شوند  سعی می کنیم برای هر مطلبی که عنوان می کنیم مثال بیاوریم تا ابهامات از بین برود.

سیستم مختصات جغرافیایی چیست؟

سیستم مختصات جغرافیایی (Geographic Coordinate System – GCS) مجموعه ای از قوانین و تعاریف ریاضی و هندسی است که به ما امکان می دهد هر نقطه ای روی سطح زمین را دقیقاً و بدون ابهام مشخص کنیم. تصور کنید سطح زمین را با تور یا شبکه ای از خطوط فرضی پوشانده باشیم. این خطوط شامل مدارها (Parallels) که به صورت افقی و موازات خط استوا رسم شده اند، و نصف النهارها (Meridians) که به صورت عمودی از قطب شمال تا قطب جنوب کشیده شده اند، هستند. محل برخورد این دو دسته خطوط، ترکیبی از عدد طول و عرض جغرافیایی را تشکیل می دهد که مانند آدرس خانه ها در یک شهر، مختصات هر نقطه از کره زمین را می سازد.

اما این فقط ظاهر ماجراست. زمین یک کره کامل نیست؛ بلکه شکلی نزدیک به بیضوی در حال حرکت دارد؛ کمی در استوا پهن تر و در قطب ها فشرده تر. برای همین، سیستم مختصات جغرافیایی همیشه نیازمند یک بیضوی مرجع (Reference Ellipsoid) است تا بتوان شکل واقعی زمین را با دقت بالاتری مدل سازی کرد. امروزه پرکاربردترین بیضوی، مدل WGS84 است که استاندارد جهانی سامانه GPS به شمار می رود.

ریشه این ایده به بیش از دو هزار سال پیش بازمی گردد. هیپارخوس، ستاره شناس یونانی (حدود ۱۹۰ پیش ازمیلاد)، اولین کسی بود که ایده اندازه گیری موقعیت جغرافیایی با استفاده از دو عدد (برای عرض و طول) را مطرح کرد. بطلمیوس در کتاب مشهور خود “جغرافیا” این سیستم را گسترش داد و برای نخستین بار نقشه هایی بر اساس مختصات طراحی کرد. از آن زمان تا انقلاب تکنولوژی در قرن بیستم و تولد GPS، این سیستم بارها تکامل یافته و اکنون به ابزاری حیاتی برای ناوبری، نقشه برداری، علوم زمین و حتی برنامه های روزمره تلفن های هوشمند تبدیل شده است.

طول و عرض جغرافیایی چیست؟

ما برای تعیین موقعیت در دو بعد  حداقل به دو آیتم نیاز داریم در در این روش تعیین موقعیت دو آیتم ما طول و عرض جغرافیایی هستند.

 طول و عرض جغرافیایی دو ستون اصلی سیستم مختصات جغرافیایی هستند و بدون درک صحیح آن ها، خواندن یا ثبت مختصات تقریبا غیر ممکن است. این دو با کمک مدارها و نصف النهارها تعریف می شوند و ترکیبشان اجازه می دهد هر نقطه از زمین یک نشانی دقیق داشته باشد.

۳-۱. طول جغرافیایی (Longitude)

طول جغرافیایی، فاصله زاویه ای یک نقطه از نصف النهار مبدا (Prime Meridian) است. نصف النهار مبدا خط فرضی ای است که از گرینویچ لندن می گذرد و طول آن صفر درجه تعریف شده است. اندازه گیری طول جغرافیایی می تواند به شرق این خط (E) تا ۱۸۰ درجه یا به غرب آن (W) تا ۱۸۰ درجه انجام شود. برای مثال، طول جغرافیایی تهران حدود ۵۱.۳۸ درجه شرقی است.

۳-۲. عرض جغرافیایی (Latitude)

عرض جغرافیایی، فاصله زاویه ای یک نقطه از خط استوا (Equator) است. خط استوا عرض صفر درجه دارد. این مقدار می تواند به سمت شمال (N) تا ۹۰ درجه یا به سمت جنوب (S) تا ۹۰ درجه اندازه گیری شود. عرض جغرافیایی تهران حدود ۳۵.۶۸ درجه شمالی است.

۳-۳. تاریخچه نصف النهار مبدا

در گذشته کشورها نصف النهارهای متفاوتی را مبدأ خود قرار می دادند. این مسئله باعث مشکلات جدی در ناوبری بین المللی می شد. در سال ۱۸۸۴، کنفرانس بین المللی نصف النهار در واشنگتن برگزار شد و گرینویچ به عنوان نقطه صفر انتخاب گردید. دلیل مهم این انتخاب، شهرت دریانوردی بریتانیا و استفاده گسترده از نقشه های دریایی آن بود.

۳-۴. تاریخچه تقسیم بندی عرض ها

تقسیم خطوط عرضی به مناطق مختلف، یک سنت قدیمی است که ریشه در مشاهدات اقلیمی و فصلی دارد. یونانیان قدیم زمین را به اقلیم های شمالی و جنوبی تقسیم کرده و از آن برای کشاورزی و سفر استفاده می کردند.

۳-۵. معنی N و E در مختصات جغرافیایی

وقتی روی نقشه مختصاتی را می بینید که با N و E مشخص شده اند، این حروف به معنی موقعیت آن نقطه نسبت به خط استوا و نصف النهار گرینویچ است:

• N (North) = عرض شمالی (در نیمکره شمالی)
• E (East) = طول شرقی (در نیمکره شرقی)
• S (South) = عرض جنوبی (نیمکره جنوبی – معمولاً منفی)
• W (West) = طول غربی (نیمکره غربی – معمولاً منفی)

مثال: مختصات 35.6892° N, 51.3890° E یعنی نقطه ای در نیمکره شمالی و شرقی – شهر تهران.

بیضوی WGS84 چیست؟

برای اندازه گیری دقیق مختصات، باید شکل زمین را به طور دقیق مشخص کنیم. زمین شبیه یک کره کامل نیست، بلکه در قطب ها کمی فشرده و در استوا کمی پهن است؛ این شکل را Geoid یا زمین وار می نامند. اما برای محاسبات ریاضی دقیق، از یک بیضوی چرخان ساده شده استفاده می کنیم که بتواند بهترین تقریب را از شکل واقعی زمین ارائه دهد.

WGS84 (World Geodetic System 1984) دقیق ترین و رایج ترین مدل بیضوی مرجع در جهان است. این بیضوی، شعاع استوایی ۶٬۳۷۸٬۱۳۷ متر و تخت شدگی ۱/۲۹۸٫۲۵۷۲۲۳۵۶۳ دارد و مبدا آن در مرکز جرم زمین تعریف شده است. از آنجا که WGS84 به عنوان استاندارد سیستم GPS استفاده می شود، موقعیت یابی در سراسر کره زمین یکپارچه و هماهنگ است.

تاریخچه این سیستم به نسخه های قبلی مانند WGS60، WGS 66 و WGS 72 بازمی گردد که به مرور با داده های دقیق تری جایگزین شدند. هدف از ایجاد WGS84، داشتن یک سیستم جهانی بدون نیاز به تبدیل مختصات بین دیتوم های محلی بود. امروزه نه تنها در GPS بلکه در بیشتر نرم افزارهای GIS، هواشناسی، سنجش از دور و اپلیکیشن های موبایلی مسیریابی، این بیضوی به عنوان مرجع اصلی استفاده می شود.

فرمت های نمایش مختصات جغرافیایی

همانطور که گفتیم برای نشان دادن یک مکان روی زمین، کافیست دو عدد داشته باشیم: یکی برای عرض جغرافیایی (Latitude) و دیگری برای طول جغرافیایی (Longitude). اما این دو عدد را می توان در فرمت های مختلفی نوشت که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. چهارچوب این فرمت ها بر اساس درجه، دقیقه و ثانیه یا نسخه اعشاری آن ها ساخته شده است. اگرچه مفهوم یکسان است، ولی شیوه نمایش آن می تواند بسته به ابزار، نرم افزار، یا روش ناوبری متفاوت باشد.

۱- فرمت درجه اعشاری (Decimal Degrees – DD)
در این فرمت، درجه ها به صورت یک عدد اعشاری نمایش داده می شوند که قسمت صحیح آن تعداد درجه ها و قسمت اعشاری آن کسری از درجه است. برای مثال، مختصات تهران در این فرمت به صورت 35.6892° N, 51.3890° E نوشته می شود. این روش امروز در نرم افزارهای GIS و اپلیکیشن های موبایلی (مانند گوگل مپ) بسیار رایج است، زیرا وارد کردن یا کپی کردن آن سریع و آسان است.

فرمول تبدیل از DMS به DD:
اگر مختصات را به صورت درجه، دقیقه و ثانیه دارید، برای تبدیل به فرمت اعشاری کافی است بگویید:

DD=درجه+دقیقه60+ثانیه3600 DD = درجه + \frac{دقیقه}{60} + \frac{ثانیه}{3600}

در صورت جنوب یا غرب بودن مختصات، کافیست قبل از عدد علامت منفی بگذارید. برای مثال، 35° 41′ 21″ N تبدیل به:
35+4160+213600=35.6892 35 + \frac{41}{60} + \frac{21}{3600} = 35.6892 خواهد شد.

۲- فرمت درجه، دقیقه، ثانیه (Degrees, Minutes, Seconds – DMS)
این فرمت کلاسیک ترین و قدیمی ترین روش نمایش مختصات است، به خصوص در نقشه های کاغذی و در میان دریانوردان و خلبانان. در این روش، یک درجه به ۶۰ دقیقه، و یک دقیقه به ۶۰ ثانیه تقسیم می شود. نمونه:
35° 41′ 21″ N, 51° 23′ 20″ E

مزیت این روش آن است که در سیستم ناوبری سنتی کاملاً جا افتاده است، اما در نرم افزارها تایپ کردن و محاسبه اش دشوارتر از فرمت اعشاری است.

۳- فرمت درجه و دقیقه اعشاری (Degrees and Decimal Minutes – DMM)
این فرمت ترکیبی از دو حالت قبلی است. در آن درجه ها کامل نوشته می شوند، اما دقیقه ها اعشاری هستند. نمونه:
35° 41.350′ N, 51° 23.333′ E

از نظر خوانایی برای کسانی که با GPS های دستی یا ناوبری دریایی کار می کنند، این فرمت بسیار پر استفاده است. چون نسبت به DMS ساده تر است و نسبت به DD حس ناوبری کلاسیک را حفظ می کند.

مقایسه و انتخاب فرمت:
در نهایت، انتخاب فرمت وابسته به کاربرد است. اگر با نرم افزارهای مدرن GIS یا موبایل کار می کنید، از DD استفاده کنید. اگر با هواپیما، کشتی یا GPS دستی کار می کنید، احتمالاً DMM یا DMS مناسب تر است. همیشه باید در پروژه ها، فرمت ورودی/خروجی داده ها را یکسان تنظیم کنید تا از بروز خطا جلوگیری شود.

کاربردهای مختصات جغرافیایی

مختصات جغرافیایی، قلب تپنده تمام پروژه ها و فناوری هایی است که به مکان وابسته اند. از دید یک نقشه بردار تا یک کاربر عادی تلفن همراه، این مختصات یک نشانی جهانی هستند. حال نگاهی دقیق به برخی کاربردهای مهم آن می اندازیم:

۱- نقشه برداری و GIS
در علم نقشه برداری، مختصات اساس جمع آوری داده های مکانی است. وقتی نقشه ای ساخته می شود، تمام نقاط روی آن دارای مختصات دقیق هستند. در سیستم GIS، مختصات جغرافیایی به عنوان پایه ای برای آنالیز داده، ترسیم لایه ها، محاسبه مساحت و فاصله استفاده می شوند.

۲- ناوبری هوایی و دریایی
برای یک خلبان یا ناخدای کشتی، مختصات ابزار اصلی تعیین مسیر است. حتی اختلاف چند ثانیه قوسی می تواند مسیر یا نقطه فرود را تغییر دهد. سیستم های پیشرفته ناوبری امروزی مختصات را متناسب با WGS84 پردازش می کنند تا موقعیت گیری در طول سفر دقیق باشد.

۳- اپلیکیشن های مسیریابی شهری
همه ما با گوگل مپ یا ویز کار کرده ایم. این برنامه ها مختصات دقیق مکان ها را از پایگاه داده خود خوانده و مسیر را بر همان اساس محاسبه می کنند. پشت این ظاهر گرافیکی، هزاران خط کد در حال پردازش مختصات هستند.

۴- عملیات امداد و نجات
در شرایط بحرانی مانند زلزله یا گم شدن افراد در کوهستان، مختصات موقعیت فرد می تواند نجات بخش باشد. پهپادها، تیم های امداد و حتی تماس تلفنی با مرکز پیام، همگی بر اساس مختصات جغرافیایی عملیات را هدایت می کنند.

۵- پژوهش علمی و مطالعات اقلیمی
دانشمندان برای ثبت داده های آب و هوایی، زمین شناسی یا حیات وحش، باید مکانی که اندازه گیری در آن صورت گرفته است را بدانند. مختصات جغرافیایی به این داده ها بُعد مکانی می دهد و باعث می شود بتوان روند تغییرات را در طول زمان بررسی کرد.

مختصات جغرافیایی ایران

ایران به دلیل وسعت جغرافیایی و موقعیت خاصش در منطقه، محدوده وسیعی از طول و عرض جغرافیایی را شامل می شود. این ویژگی باعث می شود کشور در چندین زون UTM قرار بگیرد که برای کارهای مهندسی و GIS اهمیت ویژه دارد.

• عرض جغرافیایی ایران: از حدود ۲۵ درجه شمالی (جنوبی ترین نقطه جزیره های خلیج فارس) تا حدود ۴۰ درجه شمالی (شمال استان خراسان).
• طول جغرافیایی ایران: از حدود ۴۴ درجه شرقی (غربی ترین نقطه استان آذربایجان غربی) تا حدود ۶۳ درجه شرقی (شرقی ترین نقطه استان خراسان جنوبی).

ایران در نیمکره شمالی و شرقی زمین قرار دارد. از دید سیستم UTM، کشور بین زون های ۳۸، ۳۹، ۴۰ و ۴۱ تقسیم شده است. این یعنی یک پروژه نقشه برداری در غرب کشور باید با زون متفاوتی نسبت به شرق انجام شود.

مثال ها:

• تهران → 35.6892° N, 51.3890° E – زون UTM: 39
• مشهد → 36.2605° N, 59.6168° E – زون UTM: 40
• بندرعباس → 27.1865° N, 56.2778° E – زون UTM: 40

خطاها و چالش ها در ثبت مختصات

اگرچه به نظر می رسد GPS یا نقشه ها همیشه دقیق اند، اما در عمل عوامل متعددی می توانند باعث خطا شوند:

۱- خطاهای GPS:
سیگنال های GPS پس از ارسال از ماهواره تا رسیدن به گیرنده، از لایه های جوی عبور می کنند. یونوسفر و تروپوسفر می توانند باعث تاخیر و انحراف این سیگنال ها شوند. همچنین بازتاب سیگنال از ساختمان ها یا کوه ها باعث ایجاد چندمسیره شدن (Multipath) می شود و مختصات را چند متر جابجا می کند.

۲- انتخاب بیضوی اشتباه:
اگر داده ها بر اساس WGS84 جمع آوری شده باشند ولی شما آن را با بیضوی محلی مثل ED50 نمایش دهید، ممکن است مختصات ده ها متر جابجا شود.

۳- حرکت پوسته زمین:
زمین ساخت ها باعث می شوند موقعیت صفحات زمین به مرور تغییر کند. در پروژه های بسیار دقیق (مانند ژئودزی یا نصب دستگاه های لرزه نگاری) باید این تغییرات لحاظ شود.

۴- خطای انسانی:
ورود اشتباه اعداد، جابجا کردن N با S یا E با W، یا استفاده از فرمت نامناسب از عواملی است که می تواند باعث ثبت مختصات اشتباه شود.

نرم افزارهای تبدیل مختصات جغرافیایی به UTM 

نرم افزارهای مختلفی برای این حوزه وجود دارد اما هر یک از آنها در کنار مزایا معایبی نیز دارند که از جمله عدم رایگان بودن آنها ، یا امکانات کمتر در نسخه رایگان، نمایش تبلیغات زیاد مه این ها باعث شده که  ما به فکر اپلیکیشن آنلاین برای تبدیل مختصات جغرافیایی به یوتی ام باشیم ابزار تبدیل مختصات جغرافیایی به یو تی ام مپ اسکیل تا به امروز بهترین و تکمیل ترین ابزار در ایران جهت تبدیل مختصات جغرافیایی به یو تی ام بوده است.

مثال های واقعی مختصات

یکی از بهترین روش ها برای درک عمیق مفاهیم مختصات، دیدن مثال از نقاط شناخته شده جهان و ایران است. این مثال ها نشان می دهند که مختصات در هر فرمت چگونه نوشته می شود و با تغییر دیتوم ها ممکن است مقداری جابجایی رخ دهد.

۱- شهرهای مهم ایران:

• تهران:
  
  • DD: 35.6892° N, 51.3890° E
  • DMS: 35° 41′ 21″ N, 51° 23′ 20″ E
  • DMM: 35° 41.350′ N, 51° 23.333′ E
  • UTM (WGS84 – Zone 39): X: 537253 m, Y: 3954358 m
• مشهد:
  
  • DD: 36.2605° N, 59.6168° E
  • DMS: 36° 15′ 38″ N, 59° 37′ 00″ E
  • DMM: 36° 15.633′ N, 59° 37.000′ E
  • UTM (Zone 40): X: 752568 m, Y: 4015467 m

۲- نقاط شاخص جهان:

• رصدخانه گرینویچ (مبدا طول جغرافیایی):
  
  • DD: 51.4778° N, 0.0000° E
  • DMS: 51° 28′ 40″ N, 0° 00′ 00″ E
• قله اورست (بلندترین نقطه زمین):
  
  • DD: 27.9881° N, 86.9251° E
  • DMS: 27° 59′ 17″ N, 86° 55′ 30″ E

این مثال ها نشان می دهند که استفاده از فرمت مناسب نه تنها خوانایی را بهتر می کند، بلکه برای کاربردهای مختلف (از گردشگری تا پروژه های مهندسی) اهمیت دارد.

جمع بندی

مختصات جغرافیایی یک زبان جهانی است که بشر برای رساندن موقعیت خود به دیگران، با هر زبان و فرهنگی که باشد، از آن استفاده می کند. سال ها پیش هیپارخوس و بطلمیوس این ایده را به شکل ابتدایی بنا گذاشتند و قرن ها بعد دانشمندان با توسعه مدل های ریاضی و هندسی، آن را به شکل امروزی رساندند.

امروز ما با کمک سیستم های جهانی مانند WGS84 و فناوری GPS، می توانیم در عرض چند ثانیه مختصات خود را با دقت بسیار بالا بدانیم. این دقت و یکپارچگی باعث شده مختصات جغرافیایی نقشی کلیدی در حمل و نقل، ارتباطات، تجارت، امنیت و پژوهش های علمی داشته باشند.

اما در کنار این مزایا، دقت مختصات وابسته به عوامل زیادی مانند کیفیت گیرنده، شرایط جوی، انتخاب بیضوی مناسب و جلوگیری از خطاهای انسانی است. آینده مکان یابی با توسعه فناوری هایی مانند GNSS چند منظومه ای، GPS دو فرکانسه و سیستم های یکپارچه GIS به سمت دقت های سانتی متری و حتی میلی متری پیش می رود.

در مپ اسکیل ما همیشه سعی در ارائه بهترین ابزارات رایگان برای شما هستیم چهار ابزار: 

تبدیل مختصات اعشاری به درجه دقیقه ثانیه

تبدیل مختصات درجه دقیقه ثانیه به اعشاری

 تبدیل یو تی ام به جغرافیایی

تبدیل جغرافیایی به یوتی ام

 از جمله این ابزارهای رایگان می باشد که در اختیار کاربران به صورت رایگان قرار گرفته است.

سوالات پرتکرار 

۱. تفاوت طول و عرض جغرافیایی چیست؟

عرض جغرافیایی فاصله زاویه ای از خط استوا (شمال یا جنوب) و طول جغرافیایی فاصله زاویه ای از نیمروز گرینویچ (شرق یا غرب) است. هر دو بر حسب درجه بیان می شوند، ولی مبنای اندازه گیری آن ها متفاوت است.

۲. چرا گرینویچ مبدا طول جغرافیایی است؟

در سال ۱۸۸۴، به دلیل غلبه دریانوردی بریتانیا و استفاده گسترده از نقشه های آن، گرینویچ به عنوان مبدا انتخاب شد.

۳. WGS84 چیست و چه فرقی با دیتوم های دیگر دارد؟

WGS84 یک مدل بیضوی و دیتوم جهانی است که برای تمام نقاط زمین یک سیستم مشترک فراهم می کند، برخلاف دیتوم های محلی که فقط در یک منطقه خاص دقیق اند.

۴. چطور مختصات را به UTM تبدیل کنم؟

با استفاده از ابزار تبدیل مختصات مپ اسکیل.

۵. معنی N و E در مختصات چیست؟

N = شمالی (نیمکره شمالی) و E = شرقی (نیمکره شرقی). در مقابل S و W به معنی جنوب و غرب هستند.

۶. دقت GPS چقدر است؟

بسته به شرایط، بین ۳ تا ۱۰ متر برای گیرنده های معمولی و تا کمتر از ۱ متر برای گیرنده های حرفه ای یا GPS دو فرکانسه.

۷. آیا مختصات همیشه دقیق است؟

خیر، عواملی مانند اختلال جوی، موانع ساختمانی، خطای چندمسیره و انتخاب دیتوم می توانند باعث کاهش دقت شوند.

۸. بهترین فرمت مختصات برای موبایل چیست؟

فرمت درجه اعشاری (DD) به دلیل ساده بودن برای ورود و اشتراک گذاری.

۱۰. نرم افزار رایگان تبدیل مختصات اندروید چیست؟

ابزار تبدیل مختصات جغرافیایی مپ اسکیل و ابزار ویو اسکیل رایگان بصورت آنلاین در اختیار کاربران است.