10/3/2012
McGee Surveying Consulting
1
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
1
Geodetic Datums and
Reference Frames
“Down to Earth”
©
with Datums
Realization -Recovery -Relationships 
September 28, 2012  Ontario, CA
October 5, 2012  Sacramento, CA 
Michael R. McGee; PLS3945, BSSE
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
2
Handouts
Datum-RefSyst2012.74v1
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
3
Introduction
The USAF declared the Global Positioning System 
(GPS) "operational” in 1994. This was the biggest 
game changer in the history of surveying.
Presently we have GPS, Glonass, Galileo and 
Compass (Beidu) all referred to as the Global 
Navigation Satellite System (GNSS). 
GNSS is shrinking the world - - It is more important 
than ever to adopt universal datums s for integrating 
geo-spatial communities. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
4
Introduction
Common datums s allow us to speak the same 
language, to easily share information and to build on 
the efforts of others. 
The challenge is knowing where to anchor our 
measurements; to know what datum should be used 
and why. 
As professionals, our duty is to advise our clients of 
what will best serve their needs. We are expected to 
know otherwise we risk practicing outside our area of 
competence. (Board Rule)
How to convert pdf to powerpoint slides - C# Create PDF from PowerPoint Library to convert pptx, ppt to PDF in C#.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF
Online C# Tutorial for Creating PDF from Microsoft PowerPoint Presentation
how to change pdf to powerpoint format; convert pdf to powerpoint slides
How to convert pdf to powerpoint slides - VB.NET Create PDF from PowerPoint Library to convert pptx, ppt to PDF in vb.net, ASP.NET MVC, WinForms, WPF
VB.NET Tutorial for Export PDF file from Microsoft Office PowerPoint
how to convert pdf into powerpoint presentation; how to convert pdf to ppt online
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
2
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
5
Introduction
Obtaining accurate measurements with 
GNSS is overshadowed by the importance 
and consequences of the positions we 
publish. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
6
TERMINOLOGY
Datum: A mathematical model defined by parameters that 
determine its origin, scale, and orientation and used to 
describe the spatial relationship of points.  A datum can 
be 1, 2, 3 or 4 dimensional.  
Reference Frame (Reference System) A datum is 
realizedby establishing coordinates on points 
(monuments) in the world which provides access to the 
datum.  The introduction of new measurements and 
adjustments is a new realizationof the datum.  New 
adjustments are used to improve the accuracy of points in 
an absolute sense relative to the datum, and locally 
relative to other points. 
A set of station coordinates infers a particular 
realization of a reference frame for a datum.  
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
7
TERMINOLOGY
1.
Datum Recovery:The acquisition of a datum through 
measured connections to monuments referencing the 
datum, or applying a model or  a transformation to move 
from one datum or realization to another. 
A report containing a qualitative and quantitative 
analysis of the recovery is necessary so others can 
make an assessment and “follow in your footsteps”. 
ACRONYMS
C# PowerPoint - How to Process PowerPoint
Microsoft PowerPoint Document Processing Control in Visual C#.NET of RasterEdge .NET Imaging SDK is a reliable and professional PowerPoint slides/pages editing
adding pdf to powerpoint; how to add pdf to powerpoint
VB.NET PowerPoint: Process & Manipulate PPT (.pptx) Slide(s)
add image to slide, extract slides and merge library SDK, this VB.NET PowerPoint processing control powerful & profession imaging controls, PDF document, image
converting pdf to powerpoint online; pdf conversion to powerpoint
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
3
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
9
Acronyms
Datums
GRS80: Geodetic Reference System 1980 (ellipsoid model adopted in 1980)
ITRS: International Terrestrial Reference System (geocentric)
NAD27: North American Datum 1927 (horizontal system)
NAD83: North American Datum 1983 (not geocentric)
NAVD88: North American Vertical Datum 1988
NGVD29: National Geodetic Vertical Datum 1929
WGS84: World Geodetic System 1984 (DoD) (equivalent to ITRF08)
Reference Systems
CSRN: California Spatial Reference Network (California’s NSRS) (see PRC)
HARN: High Accuracy Reference Network (state’s)
HPGN: High Precision Geodetic Network (CA’s HARN, first GPS in 1991)
HPGN-D: Densification of the High Precision Geodetic Network 
IGS: International GNSS Service 
ITRF: International Terrestrial Reference Frame 
NGRS: National Geodetic Reference System (old name)
NSRS: National Spatial Reference System (new name for NGRS)
VLBI: Very Long Baseline Interferometery(world network)
Projections
SPC: State Plane Coordinate System (Lambert or Mercator Projections)
UTM: Universal Transverse Mercator (world coordinate system)
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
10
Agenda: Geodetic Datums 
1D: Vertical 
Geoid 
Tidal Datums
NGVD29 
NAVD88
2D: Horizontal 
NAD27
NAD83 
3D: Geometric
NAD83
WGS84 
ITRF/IGS (4D)
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
11
Vertical Datums
1D: Vertical 
Geoid –Global Mean Sea Level Concept
Tidal Datums 
NGVD29 -National Geodetic Vertical 
Datum of 1929
NAVD88 -North American Vertical 
Datum of 1988
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
12
Geoid –An Elusive Datum
The Geoid:  An equal-potential surface approximating global 
mean sea level. 
VB.NET PowerPoint: Sort and Reorder PowerPoint Slides by Using VB.
clip art or screenshot to PowerPoint document slide large amount of robust PPT slides/pages editing powerful & profession imaging controls, PDF document, image
how to convert pdf to ppt for; images from pdf to powerpoint
VB.NET PowerPoint: Use PowerPoint SDK to Create, Load and Save PPT
Besides, users also can get the precise PowerPoint slides count as soon as the PowerPoint document has been loaded by using the page number getting method.
how to change pdf to powerpoint; pdf to powerpoint
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
4
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
13
Geoid –An Elusive Surface
Equal-Potential Surface is a surface where the force of 
gravity is everywhere equal. There are an infinite 
number of equal-potential surfaces. These surfaces are 
undulating  due to the non-homogenous nature of the 
mass of the planet. 
The Geoid is defined as that particular equal-potential 
surface that represents global mean sea level, as if it 
were extended into the land masses and unaffected by 
exo-planetary gravitational forces (water does not flow). 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
14
Geoid –an analogy
In a Galaxy far faraway…  you discover a world similar 
to the earth, 
• completely covered with water, 
• it doesn’t rotate, 
• there is no sun and moon,  
• no tides, no currents, 
• the water is at rest, and then it suddenly freezes over.  
You setup your instrument on the ice surface and run 
levels, and every where you run across the planet you 
find the surface elevation to be the same. That 
undulating surface is an equal-potential surface
Back on the Earth, the Geoid is a particular equal-
potential surface defined as global mean sea level. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
15
Geoid –An Elusive Surface
Heights measured with trigonometric and differential 
leveling methods are Orthometric Heights. 
Orthometric Heights (elevations) are normal 
(perpendicular) to the geoid surface and represent the 
length of the gravity vector from a point on the surface 
of the earth to the geoid.   
The zero surface of NGVD29 and NAVD88 was 
intended to approximate the geoid. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
16
Geoid
Gravimetric measurements are used to define the surface 
of the geoid.
Geoid surface varies (undulates) across the earth because 
of changing gravity forces due to the size and densities of 
the land masses. 
Difference between the geoid and an ellipsoidal surface is 
called the geoid separation (N).  
VB.NET PowerPoint: Extract & Collect PPT Slide(s) Using VB Sample
want to combine these extracted slides into a please read this VB.NET PowerPoint slide processing powerful & profession imaging controls, PDF document, image
how to convert pdf slides to powerpoint; how to add pdf to powerpoint slide
VB.NET PowerPoint: Merge and Split PowerPoint Document(s) with PPT
of the split PPT document will contain slides/pages 1-4 code in VB.NET to finish PowerPoint document splitting If you want to see more PDF processing functions
image from pdf to ppt; convert pdf to powerpoint online for
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
5
ELLIPSOID -GEOID RELATIONSHIP
H = Orthometric Height t (NAVD88)
H=hN
h = Ellipsoidal Height (NAD83)
N = Geoid Height
H
h
Ellipsoid
GRS80
N
Geoid
GEOID12is the latest 
model replacing 
Geoid09 in July 2012
Orthometric Heights are modeled by applying geoid 
separations (N) to ellipsoid heights (h) to obtain orthometric 
heights (H).  
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
18
Geoid Model
Geoid Models define the heights or separation between 
the geoid and ellipsoid surface at a given location.  
The geoid-ellipsoid separations are interpolated from a 
grid data base stored in binary and asciifiles.  Data for 
the present Geoid12A Model for California is contained 
in the file “g2012au5.bin” available at the NGS 
• http://
www.ngs.noaa.gov/GEOID/GEOID12A/GEOID12A_CONUS.shtml
Input is NAD83 latitude and longitude.  Do not use 
NAD27 (300’ difference).  
Geoid12A is the present hybridgeoid model release in 
July 2012 to estimate the NAVD88 surface relative to the 
NAD83(2011)ellipsoid surface. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
19
Geoid Model
Geoid12A was preceded by Geoid09, Geoid03, 
Geoid99, Geoid 96, Geoid 93, and Geoid 90. 
The GEOID12A model like 09, 03, 99, and 96 are hybrid
models.  The hybrid model is based on a gravity model; 
however, it is modified to best fit NAVD88 benchmarks 
with measured NAD83 ellipsoid heights.    
Geoid09 is the former hybrid geoid model developed by 
the NGS to estimate the NAVD88 surface relative to the 
NAD83(2007)ellipsoid surface.  
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
20
Geoid Model (continued)
GEOID09 model was based on the 2007 Adjustment of 
NAD83 which re-adjusted and harmonized the High 
Accuracy Reference Networks (HARN) in the 48 
continental states.  GEOID09 is to be used with NAD83 
(2007.00) ellipsoid heights which are not the same as 
NAD83(2011) ellipsoid heights.   
Geoid09 has an estimated 2-3 cm accuracy (one sigma) in 
regions with GNSS measurements on NAVD88 Bench 
Marks.  According to the NGS, a relative accuracy of about 
1 to 2 part-per-million, or better is expected in areas with 
sparse coverage.  
VB.NET PowerPoint: Complete PowerPoint Document Conversion in VB.
VB.NET PowerPoint Conversion Control to render and convert target PowerPoint document to various image or document formats, such as PDF, BMP, TIFF
convert pdf to powerpoint; pdf to powerpoint converter online
VB.NET PowerPoint: Convert & Render PPT into PDF Document
Using this VB.NET PowerPoint to PDF converting demo code below, you can easily convert all slides of source PowerPoint document into a multi-page PDF file.
how to convert pdf file to powerpoint presentation; pdf to powerpoint converter
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
6
Example: EH’s using Geoid09 & Geoid99
A look at the relationship h = H + N:  Measured EH’s v. 
Computed EH’s get better with new adjustments and 
better geoid models
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
21
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
22
Geoid: Recovery
The NGS gravimetric geoid model USGG2012 used 
with ITRF, IGS or WGS84; and the GRS80 Ellipsoid 
provides the best estimate of the geoid. 
GEOID12A, a hybrid geoid model, estimates NAVD88 
heights when referenced to the GRS80 Ellipsoid 
centered in NAD83(2011).  
The important advantage of geoid models is not so 
much in estimating the geoid or an NAVD88 height, but 
in applying the difference in the differences.  The 
precision of the model is not in the absolute geoid 
height, but in the difference in heights at two locations.  
Combining the difference in the geoid heights with the 
difference in the measured ellipsoid heights between 
two points will approach leveling accuracies.  
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
23
Example: Determine Orthometric Heights with 
a geoid model comparable to leveling
UseGNSSto measured between two points and applying H = h –N to 
check the leveling.  This method should agree within centimeters
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
24
The Future Geoid
The present NGS GRAV-D Program combines satellite 
and airborne gravity measurements with the intention of 
defining a geoid model with a relative precision of one 
centimeter. In the next ten years a new National 
Vertical Datum will replace NAVD88 facilitating the 
measurement of orthometric heights within 2 
centimeters anywhere anytime(the combined error of 
the model + measured ellipsoid height). 
VB.NET PowerPoint: Add Image to PowerPoint Document Slide/Page
insert or delete any certain PowerPoint slide without methods to reorder current PPT slides in both powerful & profession imaging controls, PDF document, tiff
convert pdf to powerpoint online no email; embed pdf into powerpoint
C# PowerPoint: C# Guide to Add, Insert and Delete PPT Slide(s)
file and it includes all slides and properties to view detailed guide for each PowerPoint slide processing & profession imaging controls, PDF document, tiff
how to convert pdf to powerpoint on; how to convert pdf into powerpoint on
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
7
Tidal Datums
Tidal Datums are defined for: 
Mean Higher High Water (MHHW)
Mean High Water (MHW)
Mean Sea Level (MSL)
Mean Tide Level (MTL)
Mean Low Water (MLW)
Mean Lower Low Water (MLLW) 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
25
Tides are the result of gravitational and meteorological 
forces interacting with the physical configuration of the 
shoreline and sea bed. Tidal heights will vary along the 
shoreline. 
Tidal Datums
The National Ocean Survey (NOS) observes the tides at 
26 primary and numerous secondary and tertiary tide 
stations around North America and offshore. 
Precise determination of the elevation of tidal 
datumsat a specific location requires observations 
of the tide for 18.61 years (taken as 19 years to 
round out seasonal events).  
The water heights at these tide stations are published 
based on a 19 year epoch.  The present National Tidal 
Datum Epoch is 1983-2001.  (Previous 1960-1979). 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
26
Tidal Datums
Tide Stations are referenced by permanent monuments in their 
vicinity called Tidal Benchmarks.  Benchmark descriptions and 
heights are available at the NOS.  
At each Tide Station, Mean Lower Low Waterfor a the 
particular 19 year epoch is taken as zeroand is referenced to  
Tidal Benchmarks and available at the NOS.   
Tidal benchmarks were usually connected to the National 
Geodetic Vertical Datum of 1929 (NGVD1929) in years past 
and presently to the North American Vertical Datum of 1988 
(NAVD88). 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
27
Tidal Datum Recovery
Tidal Datums can be recovered in the vicinity of a Tide 
Station by a direct measurement from the Tidal 
Benchmarks.  
Tidal Datums can be recovered indirectlyby equating the 
desired datum i.e. MHWto NAVD88 and recovering 
NAVD88 Benchmarks. 
Relative to a Primary Tide Station, a local Tidal 
Datum can be determined by observing for 
• 13 months to yield an elevation within 0.1 feet
• 30 days to yield an elevation within 0.2 feet   
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
28
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
8
Tide Station Benchmarks
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
29
To access NOS Tide Station Data:  Go to 
http://tidesandcurrents.noaa.gov/, click on the interactive map (below), 
choose the region, set the data type to “Benchmark Sheets”, zoom in on 
the area of interest, and click on a station to see details. 
Tide Station and Benchmarks
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
30
Click on “Benchmark Sheets” to see the Station Information, 
Tidal Benchmarks, and the Tidal Datums (following)
“Benchmark Sheet” page (top)
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
31
“Benchmark Sheet” page (middle)
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
32
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
9
“Benchmark Sheet” page (bottom)
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
33
Scroll down to Definitions for more details
Tide Station Information
Tide Station Zero 
Reference  = -0.103m 
on NAVD88
Benchmark ID and 
height above MLLW
NAVD88 = 1.771m
Tidal BM NGS Data Sheet and Graph
Graph obtained at NGS Website
National Geodetic Survey Data Sheet                  http://www.ngs.noaa.gov/newsys-cgi-bin/ngs_opsd.prl
National Geodetic Survey,   Retrieval Date = FEBRUARY 24, 2012
HT0702 ***********************************************************************
HT0702  TIDAL BM    - - This is a Tidal Bench Mark.
HT0702  DESIGNATION - - 941 4290 TIDAL 180
HT0702  PID
- HT0702
HT0702  STATE/COUNTY- - CA/SAN FRANCISCO
HT0702  USGS S QUAD   - - SAN FRANCISCO NORTH (1995)
HT0702                         *CURRENT SURVEY CONTROL
HT0702  ___________________________________________________________________
HT0702* NAD D 83(1986)- - 37 48 19.28   (N)    122 28 00.38   (W)     HD_HELD1  
HT0702* NAVD 88     -
3.996  (meters)
13.11   (feet)  ADJUSTED  
HT0702  ___________________________________________________________________
HT0702  GEOID HEIGHT-
-32.55  (meters)                     GEOID09
HT0702  DYNAMIC HT  -
3.994 (meters)      13.10  (feet)  COMP
HT0702  MODELED GRAV-
979,982.4   (mgal)                       NAVD D 88
HT0702
HT0702  VERT T ORDER  - - FIRST     CLASS I
HT0702
HT0702.The horizontal coordinates were established by differentially corrected
HT0702.hand held GPS obs s and have an estimated accuracy of +/- 3 meters.
HT0702.
HT0702.The orthometric height was determined by differential leveling and
HT0702.adjusted in June 1991.
HT0702
HT0702.This Tidal Bench Mark is designated as VM 967
HT0702.by the CENTER FOR OPERATIONAL OCEANOGRAPHIC PRODUCTS AND SERVICES.
HT0702
HT0702                          SUPERSEDED SURVEY CONTROL
HT0702
HT0702  NGVD D 29 (??/??/??)    3.169  (m)           10.40   (f) ADJUSTED    1 1
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
34
Tidal Datum Recovery (continued)
Remote Locations: In location remote to Tide Stations 
where benchmarks are available, and assuming the Tidal 
Datum surface in linear, the Tidal Datums could be equated 
to NAVD88 Heights and interpolated between the nearest 
Tide Stations. 
Note that the difference in the height of MLLWrelative 
to NAVD88 between Eureka and Crescent City is 0.03’ 
in 75 miles. The gradient (if assumed to be linear) 
between Santa Barbara and San Francisco is 
0.002’/mile. 
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
35
Tidal Datum Recovery
The height of a Tidal Datum like Mean High Water can be 
determined by observing a predicted high tide that 
corresponds to the level of Mean High Water at a known 
tide station and simultaneously at a local site. 
See "Survey Procedures for Determining Mean High 
Water“ published in the Proceedings of the ACSMat 
Seattle Wash., September 30,1976 by Jack E.  Guth, 
and "Water Boundaries" by George M.  Cole, 1983.   
This procedure has been adopted by the Florida State 
Legislation.  
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
36
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
10
Tidal Datum Recovery
Build your own portable tide station shown here at Morro Bay 
by Robert Reese, PLS.
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
37
MHW Datum: a Riparian Boundaries
In CA the tidal boundary between the state and an 
upland (riparian) owner is the ordinary high water mark 
in its last natural condition. . (Civil Code Section 670 
and 830)
California courts in 1861 defined the ordinary high-water 
mark as the limit reached by the Neap Tides
Neap Tides are the more moderate tides occurring 
during the first and third stages of the Moon.   
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
38
MHWDatum: a Riparian Boundary
The Federal Court in 1935 in Borax Consolidated,Ltd. v. 
Los Angeles(1935) 296 U.S. 10 , defined the Ordinary 
High Water Mark to be the Mean High Water Line based 
on the average of all high waters (higher high and lower 
high) occurring over a tidal epoch of 18.61 years. 
The Federal Rule has been followed in California for the 
practical reason that tidal data are published by the 
National Ocean Survey for all high tides over a 19-year 
period and information is not readily available to 
determine the height of Neap High Tide.  The California 
State Lands Commission has followed the Federal Rule 
since 1938.
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
39
10/3/2012
McGee Surveying Consulting
michael@mcgee.cnc.net
40
National Geodetic Vertical Datum 1929 
(NGVD29)
NGVD29 was the national vertical datum until 
superseded by NAVD88 in 1991.  
The origin of zero was 
derived from an  
adjustment of the 
national leveling 
network constrained to 
Mean Sea Level at 26 
tide stations along the 
east and west coasts of 
the US and Canada. 
Documents you may be interested
Documents you may be interested