как узнать расстояние в метрах между двумя точками по координатам

Расчет расстояний между городами по их координатам

Расчет расстояний между точками по их координатам на плоскости элементарен, на поверхности Земли — немного посложнее: мы рассмотрим измерение расстояния и начального азимута между точками без проекционных преобразований.

Для начала разберемся в терминологии.

Введение

Длина дуги большого круга – кратчайшее расстояние между любыми двумя точками находящимися на поверхности сферы, измеренное вдоль линии соединяющей эти две точки (такая линия носит название ортодромии) и проходящей по поверхности сферы или другой поверхности вращения.

Сферическая геометрия отличается от обычной Эвклидовой и уравнения расстояния также принимают другую форму. В Эвклидовой геометрии, кратчайшее расстояние между двумя точками – прямая линия. На сфере, прямых линий не бывает. Эти линии на сфере являются частью больших кругов – окружностей, центры которых совпадают с центром сферы.

Начальный азимут — азимут, взяв который при начале движения из точки А, следуя по большому кругу на кратчайшее расстояние до точки B, конечной точкой будет точка B. При движении из точки A в точку B по линии большого круга азимут из текущего положения на конечную точку B постоянно меняется. Начальный азимут отличен от постоянного, следуя которому, азимут из текущей точки на конечную не меняется, но маршрут следования не является кратчайшим расстоянием между двумя точками.

Через любые две точки на поверхности сферы, если они не прямо противоположны друг другу (то есть не являются антиподами), можно провести уникальный большой круг. Две точки, разделяют большой круг на две дуги. Длина короткой дуги – кратчайшее расстояние между двумя точками. Между двумя точками-антиподами можно провести бесконечное количество больших кругов, но расстояние между ними будет одинаково на любом круге и равно половине окружности круга, или π*R, где R – радиус сферы.

На плоскости (в прямоугольной системе координат), большие круги и их фрагменты, как было упомянуто выше, представляют собой дуги во всех проекциях, кроме гномонической, где большие круги — прямые линии. На практике это означает, что самолеты и другой авиатранспорт всегда использует маршрут минимального расстояния между точками для экономии топлива, то есть полет осуществляется по расстоянию большого круга, на плоскости это выглядит как дуга.

Форма Земли может быть описана как сфера, поэтому уравнения для вычисления расстояний на большом круге важны для вычисления кратчайшего расстояния между точками на поверхности Земли и часто используются в навигации.

Вычисление расстояния этим методом более эффективно и во многих случаях более точно, чем вычисление его для спроектированных координат (в прямоугольных системах координат), поскольку, во-первых, для этого не надо переводить географические координаты в прямоугольную систему координат (осуществлять проекционные преобразования) и, во-вторых, многие проекции, если неправильно выбраны, могу привести к значительным искажениям длин в силу особенностей проекционных искажений.

Известно, что более точно описывает форму Земли не сфера, а эллипсоид, однако в данной статье рассматривается вычисление расстояний именно на сфере, для вычислений используется сфера радиусом 6372795 метров, что может привести к ошибке вычисления расстояний порядка 0.5%.

Формулы

Существует три способа расчета сферического расстояния большого круга.

1. Сферическая теорема косинусов

В случае маленьких расстояний и небольшой разрядности вычисления (количество знаков после запятой), использование формулы может приводить к значительным ошибкам связанным с округлением.

φ1, λ1; φ2, λ2 — широта и долгота двух точек в радианах

Δλ — разница координат по долготе

Δδ — угловая разница

Для перевода углового расстояния в метрическое, нужно угловую разницу умножить на радиус Земли (6372795 метров), единицы конечного расстояния будут равны единицам, в которых выражен радиус (в данном случае — метры).

2. Формула гаверсинусов

Используется, чтобы избежать проблем с небольшими расстояниями.

3. Модификация для антиподов

Предыдущая формула также подвержена проблеме точек-антиподов, чтобы ее решить используется следующая ее модификация.

Источник

Конвертер величин

Калькулятор расстояния между двумя точками

Этот калькулятор определяет расстояние (называемое также метрикой) между двумя точками в одномерном, двумерном, трехмерном и четырехмерном евклидовом, чебышёвском и манхэттенском пространствах.

Введите значения для расчета и нажмите кнопку Рассчитать

Определения и формулы

Прямоугольная (декартова) система координат

Прямоугольная система координат носит имя французского философа и математика Рене Декарта, так как именно он ввел эту систему в своей работе «Геометрия» (фр. La Géométrie), опубликованной на французском языке в 1637 г. в Лейдене (Нидерланды) совестно с тремя другими книгами, включая «Рассуждения о методе» (фр. Discours de la méthode pour bien conduire sa raison, et chercher la verité dans les sciences), которая больше всего известна по знаменитой цитате «Je pense, donc je suis» — «Я мыслю, следовательно, я существую».

В прямоугольной системе координат каждая точка на плоскости однозначно определяется двумя числовыми координатами, которые являются расстояниями до точки от двух перпендикулярных осей, измеренными в одинаковых единицах. Ось x называется абсциссой, а ось y — ординатой. Эти два числа называется соответственно координатами x и y заданной точки.

Изобретение прямоугольной системы координат дало толчок к развитию аналитической геометрии — науки, использующей систему координат для построения фигур или тел. В аналитической геометрии кривые и формы описываются алгебраическими функциями, которые облегчают расчеты. Декартова система координат позволяет использовать относительно простые алгебраические уравнения для простых линий, плоскостей и трехмерных фигур. Числовое представление кривых и объемных фигур в аналитической геометрии удобно для их последующей компьютерной обработки.

Декартова система координат часто используются в реальных жизненных ситуациях — например, в вашем смартфоне двумерная система прямоугольных координат используется для показа изображений и отслеживания движений пальцев.

А трехмерная прямоугольная система координат с тремя осями может использоваться для описания положения точки на Земле или над Землей. Эта система вращается вместе с Землей. Начало такой системы координат (нулевая точка с координатами 0; 0; 0) находится в центре масс Земли. Ось z направлена от центра на Северный полюс. Ось x направлена от центра на экватор в точку его пересечения с нулевым меридианом и перпендикулярна оси z. Она указывает на долготу 0°и широту 0°. Ось y геоцентрической системы координат направлена от центра Земли вдоль линии, перпендикулярной осям z и x и, в соответствии с правилом правой руки, указывает на долготу 90° и широту 0°.

Поскольку метр вначале определялся как одни десятимиллионная часть расстояния от экватора до Северного полюса (10 000 км или ¼ длины окружности Земли, приблизительно равной 40 000 км), а километр является одной десятитысячной частью этого расстояния, километр представляется хорошим выбором единицы измерения для геоцентрической системы координат. Описанная выше система координат получила название привязанная к Земле геоцентрическая система координат.

Метрики и метрические пространства

Когда мы говорим о расстоянии в математике, мы всегда упоминаем метрику, которая также называется функцией расстояния. Метрикой называется функция, которая определяет расстояние между каждой парой элементов во множестве, которое является коллекцией объектов и само рассматривается как объект. Множество, в котором определена метрика, называется метрическим пространством. Метрическое пространство — математический объект, в котором расстояние между двумя точками точно определено и имеет смысл. Множество, в котором такая функция не определена, не является метрическим пространством.

Метрика, как числовая функция, удовлетворяет минимальным требованиям к расстоянию, которое мы обычно представляем себе как длину перемещения между двумя точками

Знакомое нам евклидово пространство с метрикой в форме евклидова расстояния, которое мы изучали в средней школе — это один из примеров метрического пространства. Другими примерами является метрические пространства с метриками расстояния городских кварталов (манхэттенское расстояние, метрика такси), чебышёвского расстояния и расстояния Минковского. Есть даже такая экзотическая метрика как метрика SNCF (Национальная компания французских железных дорог), в которой, если нужно добраться на поезде из точки А в точку В, наиболее эффективным способом будет добраться из точки А до Парижа, а оттуда добраться до точки В.

Метрики расстояния широко используются в алгоритмах машинного обучения для улучшения процессов классификации и информационного поиска. Например, они помогают классифицировать и узнавать изображения в системах распознавания изображений. Эта статья была написана во время пандемии COVID-19 и поэтому мы можем даже сказать, что использование метрик расстояния в системах распознавания лиц помогает отслеживать распространение вируса, так как эта технология обеспечивает быстрый неконтактный метод идентификации лиц, которые известны как носители вируса COVID-19, а также людей, которые были с ними в контакте.

Отметим, что, хотя мы говорим о расстоянии, «расстояние» в этом контексте означает не только то, как далеко друг от друга находится объекты в пространстве. Метрика расстояния между объектами — это одна из основных вычислимых функций, используемых в программах машинного обучения. В приложениях машинного обучения часто необходимо определить как близко друг к другу находятся два объекта данных. Например, апельсин похож на яблоко, потому что он сферический. В то же время апельсин похож на баскетбольный мяч, потому что они оранжевые. Цвет и форма — характеристики объектов, их можно выразить в цифровом виде и различие между ними будет являться «расстоянием» между объектами.

Для надежного сравнения предметов нужно описать их математически, в виде чисел, и тогда мы превратим нашу задачу в набор объектов, различные характеристики которых будут описываться числами. Затем, чтобы определить насколько они похожи, мы определим «расстояние» между ними. В нашем случае мера расстояния — это численная оценка, которая описывает относительное различие между объектами в наборе.

В компьютерной науке расстояния между объектами множества можно определять с использованием любых количественных мер или переменных, например, высоты, возраста, веса или температуры. Годится любая переменная, которую можно измерить и выразить числом. Например, если имеется набор нескольких объектов с различными температурами, мы можем сказать, что «расстояние» между объектами с разницей температур в 1 °С меньше, чем расстояние между объектами с разницей температур 2 °С. Или можно рассмотреть объекты с различными температурами и весами и измерить «расстояния» между ними с использованием этих двух количественных переменных для каждого объекта в наборе. Конечно, в этом контексте можно рассматривать и реальные расстояния между объектами, выраженные в единицах длины.

Евклидово расстояние

Евклидово расстояние между двумя точками в двумерном и трехмерном пространстве представляет собой прямую линию, соединяющую две точки. Это очевидный способ представить расстояние между двумя точками. Поскольку в евклидовом пространстве имеется функция, определяющая евклидово расстояния в виде прямой линии, евклидово пространство считается метрическим. Это исторически первое метрическое пространство в математике. Позднее, с развитием математической и физической наук появились другие метрические пространства. Евклидово расстояние, называется также расстоянием L², так как это частный случай расстояния Минковского второго порядка, которое мы рассмотрим ниже.

Для определения расстояния в двумерном пространстве можно использовать теорему Пифагора. Для точек p и q с координатами (x₁, y₁) и (x₂, y₂) в двумерном пространстве (на плоскости) евклидово расстояние определяется по формуле

В трехмерном пространстве евклидово расстояние между двумя точками p и q с координатами (x₁, y₁, z₁) и (x₂, y₂, z₂) определяется как

Конечно, трудно понять даже четырехмерное пространство, не говоря уже об n-мерном пространстве, потому что наши чувства слишком ограничены. Если, например, в трехмерном пространстве многогранник составляется из плоских многоугольников, то в четырехмерном пространстве политопы (многогранники в n-мерном пространстве) составляются из трехмерных многогранников. Например, «гиперграни» гиперповерхности четырехмерного куба, называемого тессерактом, представляют собой трехмерные кубы.

Интересно сравнить сечения двумерных, трехмерных и четырехмерных объектов. Если двумерный объект пересекает одномерная прямая, мы наблюдаем сечение, которое представляет собой отрезок этой линии. Если рассмотреть сечение плоскостью трехмерного объекта, например, куба, мы можем наблюдать один из нескольких многоугольников: треугольник, трапецию, пятиугольник и шестиугольник. Тип многоугольника зависит от количества пересекаемых поверхностей: если плоскость пересекает три поверхности куба, получается треугольник, если четыре — трапеция (помним, что квадрат и прямоугольник — частные случаи трапеции); пять пересекаемых граней куба дают пятиугольник и шесть — шестиугольник.

А что получится, если «разрезать» четырехмерный объект трехмерным объектом, например, если мы возьмем трехмерный куб и разрежем им четырехмерный куб, называемый тессерактом? Мы оставляем читателям возможность ответить на этот вопрос самостоятельно. Подсказка: при построении сечения четырехмерной сферы трехмерной сферой получается трехмерная сфера.

До начала XIX в. считалось, что единственным правильным способом определения расстояния является способ, которым пользовался Евклид. Однако в XIX веке математики начали исследовать другие версии геометрии, которые выглядели необычно. Конечно, в таких привычных областях техники как архитектура или геодезия без евклидовой геометрии не обойтись. В то же время, физики и математики поняли, что пришло время создания неевклидовых геометрий. Во многих случаях бывает удобно не применять евклидову геометрию и измерять расстояния иным образом.

Немецкий математик Герман Минковский ввел несколько других видов геометрии, основанных на различных методах измерения расстояния между точками пространства. Выступая перед делегатами съезда немецких естествоиспытателей и врачей в Кёльне, Минковский начал доклад ставшими знаменитыми словами, что «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны сделаться всецело тенями и только особого рода их сочетание должно еще сохранить самостоятельность».

Ниже мы очень кратко рассмотрим несколько неевклидовых геометрий. Отметим, что мы не будем здесь затрагивать пространство-время Минковского и поговорим только о расстоянии Минковского.

Расстояние Чебышёва

Расстояние Чебышёва между двумя n-мерными точками или векторами — это максимальный модуль разности координат этих точек. Для прямоугольной системы координат расстояние Чебышёва между двумя точками можно определить как сумму абсолютных значений разностей их прямоугольных координат. Расстояние Чебышёва называется также максимальной метрикой и метрикой L_∞. Метрика названа в честь русского математика Пафнутия Чебышёва, который известен работами по механике, статистике, аналитической геометрии и теории чисел.

Расстояние Чебышёва оценивает абсолютный максимум значения разности между координатами (или иными количественными свойствами) пары объектов. Расстояние Чебышёва между двумя точками p и q с координатами p_i и q_i равно

Например, рассмотрим две точки в трехмерном пространстве p (x₁,y₁,z₁) = p (2,3,4) и q (x₂,y₂,z₂) = q (5,9,11). Чебышёвское расстояние между этими точками p and q равно

Расстояние Чебышёва называют также метрикой шахматной доски, так как минимальное число ходов, которое нужно сделать королю, чтобы перейти из одного поля в другое, равно расстоянию Чебышёва между центрами полей при условии, что поля шахматной доски имеют единичную длину стороны квадрата и координатные оси выровнены с краями шахматной доски. Это связано с тем, что король может делать ход на соседнее поле в любом направлении: влево, вправо, вверх, вниз и по диагонали. Отметим, что расстояние Чебышёва для ходов по диагонали равно расстоянию для ходов по вертикали и горизонтали. Например, расстояние Чебышёва для перемещения короля e4—g6 равно 2.

Расстояние Чебышёва также широко применяется в программировании промышленных роботов, если их манипуляторы могут с одинаковой скоростью двигаться в восьми направления вдоль осей y и y, а также по диагонали.

Манхэттенское расстояние

Формула евклидова расстояния удобна для измерения теоретических расстояний. Однако в реальной жизни, например, в городе, в большинстве случаев невозможно двигаться от одной точки до другой по прямой. Заборы, здания, улицы не позволяют это сделать и приходится двигаться по улицам, которые часто бывают расположены в виде регулярной сетки. В городе удобнее пользоваться манхэттенским расстоянием, так как оно позволяет рассчитывать расстояние между двумя точками данных на регулярной координатной сетке, например, среди городских кварталов или на шахматной доске, где между двумя точками может быть много путей с одинаковым манхэттенским расстоянием. Оно называется манхэттенским, потому что большинство улиц на Манхэттене расположены в строгом порядке, за исключением, разве что, Бродвея, который появился до создания регулярной планировки улиц.

Манхэттенское расстояние известно также под названием «метрика такси», «расстояние городских кварталов». метрика L¹, расстояние L₁, метрика прямоугольного города и другими. Формула для манхэттенского расстояния между двумя точками p и q с координатами (x₁, y₁) и (x₂, y₂) имеет вид:

Обобщенная формула для манхэттенского расстояния в n-мерном векторном пространстве имеет вид:

Расстояние Минковского

Расстояние Минковского между двумя точками в n-мерном пространстве — обобщение манхэттенского, евклидова и чебышёвского расстояний:

где λ — порядок метрики Минковского. Для различных значений λ расстояние Минковского рассчитывается тремя способами:

Можно рассчитывать и с промежуточными значениями λ, например λ = 1,5, при которых получается нечто среднее между двумя метриками.

Источник

Расстояние между двумя точками онлайн

С помощю этого онлайн калькулятора можно найти расстояние между точками по известным координатам этих точек. Дается решение с пояснениями. Для нахождения расстояния между точками задайте размерность (2-если задача рассматривается в двухмерном пространстве, 3- если задача рассматривается в трехмерном пространстве), введите координаты точек в ячейки и нажмите на кнопку «Решить». Теоретическую часть смотрите ниже.

Предупреждение

Расстояние между двумя точками на прямой

Пусть заданы на оси OX точки A с координатой x_a и B с координатой x_b (Рис.1). Найдем расстояние между точками A и B.

Расстояние между точками A и В равно:

Поскольку расстояние от O до В равна x_b, а расстояние от O до A равна x_a, получим:

На рисунке 2 точки A и В находятся по разные стороны начала координат O. B этом случае рассояние между точками A и B равно:

Поскольку координата точки A отрицательна а координата точки B положительна, то (2) можно записать так:

На рисунке 3 точки A и В находятся c левой стороны начала координат O.

B этом случае рассояние между точками A и B равно:

Из формул (2),(4),(6) следует, что независимо от расположения точек отностительно начала координат рассояние этих точек равна разности координат этих точек, причем от большего значения вычитается меньшее (так как расстояние не может быть отрицательным числом).

Формулы (2),(4),(6) можно записать и так:

Решение. Для нахождения расстояния между точками A и B воспользуемся формулой (7):

Расстояние между двумя точками на плоскости

Пусть на плоскости задана декартова прямоугольная система координат XOY и пусть на плоскости заданы точки A и B, где A имеет координаты (x_a,y_a), а B имеет координаты (x_b,y_b) (Рис.4).

Учитывая результаты предыдующего параграфа, можем найти расстояние между точками A и M, а также расстояние между точками B и M:

ABM является прямоугольным треугольником, где AB гипотенуза, а AM и BM катеты. Тогда, исходя из теоремы Пифагора, имеем:

Тогда, учитывая (8), получим:

Решение. Для нахождения расстояния между точками A и B воспользуемся формулой (9). Подставляя координаты точек A и B в формулу (9), получим:

,

Ответ: .

Расстояние между двумя точками в пространстве

Рассмотрим в пространстве, в декартовой прямоугольной системе координат точки A и B, где A имеет координаты (x_a,y_a,z_a), а B имеет координаты (x_b,y_b,z_b) (Рис.5).

AB является диагональю параллелепипеда, грани которго параллельны координатным плоскостьям и проходят через точки A и B. Но AB является гипотенузой прямоугольного треугольника AMB, а AM и BM являются катетами этого прямоугольного треугольника. Тогда, по теореме Пифагора, имеем:

Учитывая, что BM равно разности третьих координат точек B и A, получим:

Из предыдующего параграфа следует, что:

Но AM=A’B’. Тогда из (10) и (11) следует:

Пример 3. В пространстве задана декартова прямоугольная система координат XOY и точки \( \small A(x_a; \ y_a ;\ z_a)=A(5;1;0) \) и \( \small B(x_b, \ y_b, \ z_b)=B(-8,-4;21). \) Найти рассояние между этими точками.

Решение. Для нахождения расстояния между точками A и B воспользуемся формулой (12). Подставляя координаты точек A и B в формулу (12), получим:

,

Ответ: .

Источник