История геодезии. Лекции.. Лекции по Истории геодезии. Тема Зачем надо знать историю геодезии. Введение
 Скачать 0.56 Mb.
|
|
Геодезическое образование Геодезия в эту эпоху именовалась практической геометрией. Поэтому до 17в. книги по практической геометрии, имевшие на титульном листе, как правило, это же название, появлялись довольно часто. Большей частью они предназначались для учащихся школ и студентов университетов. Книги сопровождались практическими упражнениями, демонстрирующими пользу практической геометрии. В большинстве книг по изучению геометрии ее практическая часть, составлявшая ее центральное звено, означала работу вне стен классов и аудиторий, т.е. на местности измерения и съемки. В 16-17вв. в Англии трактаты по практической геометрии писались в основном специалистами, т.е. геодезистами – практическими геометрами и предназначались людям, выполнявшим соответствующие работы. В других европейских странах авторы геодезических – геометрических книг были в основном работниками университетов и школ, а изучавшаяся практическая геометрия являлась частью полных курсов по математике. В этот период возросло число книг, в которых иллюстрация геометрических истин осуществлялась демонстрацией применения их в геодезии и навигации. К концу 17в. в книгах по геометрии достигается комбинация теории и практики. В 18в. в Англии начинает преобладать в геометрии Евклидово образование, хотя и практическая геометрия не уступает своих позиций. В Англии и США формируются школьные программы по геометрии и тригонометрии, в которых измерения на местности занимают важное место. В 17-18вв. наиболее распространенными в геодезии наименованиями специалистов были землемер и геометр. Немецкий ученый Вильгельм Вольф («Лекции по истории практической геометрии – геодезии, читанные в 1863 и 1864гг. на съездах общества немецких геометров», М., 1885) так пишет о характере и составе работ геометров 17-18вв.: «Они должны были назначать и поддерживать в исправности границы поземельных владений; делить недвижимое имущество; решать споры или недоразумения, возникающие между соседями и касающиеся земельных участков, водопроводов и орошения лугов. На их обязанности лежало осушение и орошение тех местностей, которые предполагалось обрабатывать, распределение пользования торфяными болотами, а также и относительно разведения, сохранения и пользования лесами. Им поручался надзор над реками, большими и малыми дорогами; при этом они обязаны были наблюдать, чтобы берега реки находились всегда в исправном состоянии, дабы приобретенные участки не могли страдать от наводнений». У землемеров была своя профессиональная клятва. Сравните эти обязанности с теми, что были в древнем мире и в средние века. . - * - Тема №7. Геодезия в 19в 7.1. Основные направления развития геодезии Развитие геодезии в 19в. характеризуется тем, что в этом столетии завершилось формирование геодезии в том виде, как она выглядит сейчас. В этот период произошло формирование технологий, совершенствование теории, приборов и методов в трех главных направлениях:
До середины 19в. правительства европейских стран сравнительно щедро финансировали и поддерживали решение основных задач геодезии. . Для решения главной научной задачи необходимы были высокоточные измерения. Это побудило совершенствование теории и технологии прецизионных методов измерений, создание новых приборов, становление отрасли приборостроения, разработку методов обработки измерений. Продолжались в большом объеме градусные измерения (во Франции, Германии, России, Индии, Америке, Африке). При выполнении градусных измерений происходило совершенствование методов угловых и линейных измерений, приборов и инструментов. технологий, вычислительных средств, что обеспечило высокую точность измерений и определения фигуры Земли. В результате осуществления задач этого направления была достигнута поразительная точность, сделаны важные выводы: 1) фигура Земли представляет собой поверхность геоида (подобная Земле); 2) в градусных измерениях необходимо учитывать силу тяжести, поэтому одновременно нужно выполнять гравиметрические измерения. При осуществлении задачи второго направления сформировалась единая технология многоступенчатого развития опорных геодезических сетей по принципу «от общего к частному». Опорные геодезические сети стали линейно-угловыми, строились методом триангуляции, были двоякого назначения. Была установлена и принята единая для всех стран система ориентации и отсчета. Для отсчета долгот в качестве начального был принят Гринвичский меридиан (13 октября 1884г.), отсчет широт было подтверждено вести от плоскости экватора. Ориентация определялась осью и направлением вращения Земли. В качестве математической поверхности Земли был введен сначала эллипсоид, а затем геоид. Эллипсоид одновременно является координатной отсчетной поверхностью. Одновременно осуществлялся переход к единой системе мер и весов, единым нормальным мерам. Для изображения сферической поверхности Земли на плоскости (бумаге) разрабатывались картографические проекции. Так, Гауссом в 1825-1830гг. была разработана и применена равноугольная поперечная цилиндрическая проекция, для которой Крюгер в 1912г. вывел рабочие формулы, с тех пор эта проекция называется проекция Гаусса-Крюгера. В 20в. она использовалась в Советском Союзе как основа для формирования системы координат и создания топографических карт, используется и в настоящее время в России. Расширилась сфера применения геодезии при решении прикладных хозяйственных задач; широкое развитие получили топографические съемки в странах Европы, Америки, Азии, Австралии. В этом веке появилась фотограмметрия, которая стала широко применяться в топографических и других целях (в архитектуре, охране памятников старины, лесном хозяйстве, геологии и в других отраслях. В начале 20в. стали использовать стереофотограмметрический метод в фотограмметрической съемке. В целом, в 19в. сложилась структура геодезии, в ней выделились высшая и низшая геодезия, сформировалась система специализированного геодезического образования, структура геодезических организаций в военной и гражданской сферах. По причине возрастания значимости основных задач геодезии она не только осталась на передовых рубежах истории развития стран Европы и Америки, но еще более усилилась ее значимость в науке и социально-экономической жизни общества, например, способствовали формированию метрологии. 7.2. Градусные измерения, геодезические сети Наибольший прогресс в геодезии произошел в Англии, где на всей территории была создана геодезическая сеть методом триангуляции (к 1859г.). В этой стране впервые стали использовать высокоточные теодолиты конструкции мастера Рамсдена, который изобрел машину для деления прямолинейных шкал и кругов. Диаметр горизонтального круга теодолитов был около 1м (3 фута) с ценой деления 15’, отсчеты производились с помощью трех микрометров с точностью до секунд. Длина зрительной трубы была около 90см (36 дюймов). Англичане при измерении базисов использовали стеклянные трубки длиной 20 футов, укладываемых на специальные подставки. При этом учитывали температурное влияние. Затем тот же базис измеряли двумя 100-футовыми цепями. Длины сторон первоклассной триангуляции на территории Англии были от 56до 179км, а базисы от 8 до 12км (всего 6 базисов) измерялись с точностью не ниже 1:300000. Углы измеряли более компактными теодолитами-альтазимутами фирмы Траутон и Симс с диаметром в 2фута с ценой деления 5’с отсчитыванием по 6 микроскопам. При этом впервые был применен способ круговых приемов. Ошибки измеренных углов не превышали 1”. При работах в Индии измерения углов выполнялись с каменных пустотелых башен высотой до 20м, ось вращения теодолита устанавливалась на отвесной линии над заложенной в земле маркой. Визирование по сторонам угла производилось только на световые цели – днем на гелиотропы, ночью на аргоновые лампы. Благодаря этому точность измерения углов достигнута 0,3’, а базисов – 1:400000. Гаусс, выполняя градусные измерения применил разработанный им способ «во всех комбинациях». Он изобрел гелиотроп, нашедший впоследствии всеобщее распространение. Заслугой Бесселя (1784-1846) является то, что при выполнении градусных измерений он применил много нового: 1) углы измерял способом круговых приемов (42 приемами с ошибкой 0,6”); 2) усовершенствовал теорию базисных сетей Ф.М. Шверда (1792-1871), при переходе от базиса 2км к стороне 30км получил точность 1:500000; 3) разработал способ уравнивания триангуляции (способ Бесселя); 4) разработал теорию и практику астрономических инструментов для определения времени, азимута и широты. По результатам работы опубликовал труд «Градусные измерения в Восточной Пруссии». Особенностью градусных измерений в США явилось большое протяжение дуги параллели – 4244км (48 46’). Западная часть дуги проходила в высокогорном районе с высотами 3000 – 3970м. В равнинных залесенных районах для измерения углов строились знаки высотой до 85м. Стороны треугольников достигали 160км и более, а одна сторона равнялась 307км.Углы измерялись в дневное время теодолитами фирмы Траутон и Симпс по способу круговых приемов с числом приемов 23 для сторон короче 100км с отсчетами по 3-м микроскоп-микрометрам, визирование производилось на гелиотропы. При длинах сторон более 100км число приемов увеличивалось в 2-3 раза. На каждом пункте измеряли зенитные расстояния десятисекундным вертикальным кругом четырьмя приемами. Несмотря на то, что в градусных измерениях использовались разные базисные приборы, разные угломерные инструменты, методы измерений (в первые 20-30 лет углы измеряли по способу повторений), точность получена высокая. По результатам градусных измерений и их обработки на протяжении 19в. были получены размеры земного эллипсоида учеными разных стран. При этом англичанин Кларк использовал кроме своих результатов индийские, русские и западно-европейские градусные измерения. Размеры земного эллипсоида: Автор Страна Год Большая полуось, а Полярное С сжатие 1.Деламбр Франция 1800 6375653 1:334,0 2.Вальбек 1819 6376896 1:302,8 3.Бессель Германия 1841 6377397 1:299,15 4.Кларк Англия 1866 6378206 1:295,0 5.Кларк Англия 1880 6378249 1:293,47 Результат Деламбра имеет не столь научное, сколь историческое значение – по его измерениям была получена длина метра. Эллипсоид Бесселя применялся в геодезических работах в Австрии, Албании, Венгрии, Германии, Греции, Голландии, Италии, Норвегии, Швеции, Швейцарии, Югославии, Индонезии, Японии, Чили и в России до 1942г. Выводы Кларка 1866г. применялись в США, Канаде, Мексике, а по результатам 1880г. во Франции. Все определения размеров Земли осуществлялись применительно к геометрической фигуре – эллипсоиду вращения. Русский военный геодезист Ф.Ф.Шуберт в 1859г. впервые дал вывод трехосного земного эллипсоида. Второе такого рода вычисление выполнил Кларк А.Р. в 1878г., немного раньше, в 1873г. немецкий физик Листинг дал поверхности Земли название геоид (подобный Земле). В 1840г. ирландский математик Стокс вывел формулу определения превышения геоида над эллипсоидом по аномалиям силы тяжести, но до 1927г. эта формула не находила применения. В 19в. начали выполнять гравиметрические измерения для введения поправок за уклонение отвесных линий. В 1879г. усилиями французских и испанских геодезистов была осуществлена связь геодезических сетей Европы и Африки. Создание опорных триангуляционных сетей на территориях основных европейских стран было закончено в 1864г., когда были проведены работы по объединению национальных триангуляций в единую сеть с помощью организации «Среднеевропейские градусные измерения, хотя триангуляции России и Германии были сомкнуты еще в первой половине 19в. Объединенная европейская сеть состояла из 89 пунктов 1 класса, 100п. 2кл. и 2500п. сгущения (церкви, башни и т.п. объекты). Высотная сеть строилась сначала методом тригонометрического нивелирования по сторонам триангуляции от 15 до 30км. С 1865г. стали применять геометрическое нивелирование. В этот период усиливается сотрудничество геодезических служб стран Европы в области градусных измерений. В 1867г. была созвана вторая (первая в 1864г.) конференция геодезических служб стран: Италии, Швеции, Норвегии, Польши, Швейцарии, Пруссии, Австрии, Саксонии, Испании, Португалии и России. Конференция получила название «Европейские градусные измерения» (ЕГИ). Целью ее было осуществление связи рядов и сетей триангуляции и построение меридианного ряда триангуляции от Швеции (Христпания) до Италии (Палермо). В дальнейшем ЕГИ стала называться «Международные измерения Земли». Она явилась предшественницей современной «Международной ассоциации геодезии» (МАГ). Центр был в Потсдаме, президентом МИЗ был избран И.Я.Байер (1794-1885). К концу 19в. почти вся Европа была покрыта сплошной сетью триангуляции. На основе анализа измерений была осознана необходимость выполнения астрономических определений на геодезических пунктах (пункты Лапласа). Было определено понятие уклонения отвесных линий. В 19в. Гаусс разработал теорию поверхностей. Он выделил в самостоятельный класс те свойства поверхностей, которые могут быть обнаружены путем измерений на самой поверхности. Совокупность этих свойств получила название внутренняя геометрия поверхности. К ней относятся гладкость и длина линий, углы между пересекающимися линиями, площади фигур, т.е. то, что исследуется и определяется в геодезии. Кратчайшую линию между точками на поверхности Лаплас назвал «геодезической линией». Определение геодезической линии на поверхности стало первой задачей теории поверхностей. Ее сформулировал еще в 1697г. Бернулли, а решили Л. Эйлер и Ж Лагранж. К.Ф.Гаусс нашел уравнение геодезической линии на произвольной поверхности, которое опубликовал в 1827г. в работе «Общее исследование кривых поверхностей». В 60-70-е годы 19в. в европейских странах приступили к созданию высотных геодезических сетей методом геометрического нивелирования. К концу столетия в самом нивелировании выделилось высокоточное. В больших объемах выполнялось картографирование территорий. Велись также кадастровые съемки. 7.3. Топографические съемки Для производства съемок учреждались организации. Во Франции был сформирован Корпус инженеров-географов (вторая половина 17в.) В 19в. в Индии была создана служба (1818) «Большая тригонометрическая съемка». Съемки выполнялись на мензуле Первая карта США была опубликована в 1789г. В 19в. создана служба «Съемка берега», позже переименована в «Береговую службу», затем в «Береговую и геодезическую съемку», а в середине 20в. служба «Национальной океанической съемки», а ранее «Геологическая и географическая съемка территории». В Швеции еще в 17в. был организован корпус топографов-геометров «Генеральная математика», в 18в. - «Бюро съемки земель», проводившие кадастровые крупномасштабные съемки. В Норвегии в 1828г. организована «Объединенная гидрографическая съемка», преобразованная в последствии в «Норвежский гидрографический институт». Аналогичные организации были созданы в других европейских странах, выполнявшие съемки и картографирование своих территорий. В начале 19в. был разработан способ печати с плоских печатных форм, что ускорило размножение карт. 7.4. Развитие приборов и методов измерений В 19в. происходило дальнейшее совершенствование приборов и методов для всех видов измерений – угловых, линейных, высотных. Сформировавшийся в 19в. приборный парк и совокупность методов измерений практически использовался почти в неизменном виде до второй половины 20в. Измерение длин базисов и линий осуществлялось преимущественно мерными цепями, стальными лентами или базисными приборами. Для измерений малой точности использовались мерный шнур, мерное колесо, нитяной дальномер. Использовали и косвенный метод – построение на местности треугольников или их сети (называемые триангуляционными или тригонометрическими сетями). Творцом базисных сетей считают профессора Шверда, установившего и обосновавшего наилучшую форму базисной сети – ромбическую, хотя идея базисной сети родилась вместе с идеей триангуляции (Виллеброрд, Снеллиус), а совершенствованием базисных сетей занимался Бессель. Для измерения базисов при выполнении градусных измерений применялись специальные базисные приборы. Сначала это были деревянные жезлы, укладывавшиеся на землю, (Пикар в 17в.), стеклянные трубки (в Англии), укладывавшиеся на специальные подставки, затем стальные цепи и, наконец, базисные приборы с проволоками. Для натяжения мерных цепей и проволок применялись грузы весом до 10кг. Разработанные приемы и принципы отсчета использовались впоследствии в базисных приборах Едерина. Позднее в Англии и Индии базисы измеряли «компенсационным» прибором Кольби, а в США прибором Эймбака, называемым дуплексаппаратом. Базисные приборы своих конструкций применяли Бессель (1784-1846) в Германии, В.Я. Струве и К.И. Теннер в России. Были построены базисные приборы также в Испании Ибаньесом Брункером, в Англии Репсольдом, Эти приборы и прибор Бесселя имели вид биметаллических жезлов, изготовленных из меди и платины или из стали и цинка. Стокгольмский профессор Едерин в 1880г. (или в 1884) создал базисный прибор, носящий его имя, применявшийся во всех странах с некоторыми изменениями до 70-х годов 20в. Этот прибор состоял из двух проволок, одна из меди, другая из стали никелированных, длиной по 25м с миллиметровыми шкалами на концах длиной в 1дм. При измерении для одинакового натяжения проволок к их концам подвешивали два груза по 10кг. Проволоки натягивали через специальные штативы со сферическими головками, в которые втыкали иглы в пределах конечных шкал. Отсчеты по шкалам брались одновременно по команде «Отсчет». Французский ученый Гильом в 1897г. изобрел сплав – инвар (никель -36%, сталь- около 64%, с добавлением в очень малых количествах вольфрама, ванадия и др. элементов–всего менее 0,5%), с очень незначительным коэффициентом линейного расширения от температуры. Из него стали изготовлять проволоки, рулетки, а затем и полосы для шкал реек. 7.5.Измерительные средства для измерения углов В странах Европы измерения углов в триангуляции выполняли различными инструментами, лишь в Англии теодолитами. Во Франции использовали «Повторительный круг» Тобиаса Майера и Шарля Борда (1733-1799), более легкий и удобный по сравнению с квадрантом и исключавший ошибки делений лимба. В Англии, Германии (Гаусс, Бессель) и России (Струве, Теннер) углы измеряли теодолитами искусных механиков того времени Рамсдена, Рейенбаха, Репсольда, Траутона и Симпса и др. Эти теодолиты были довольно громоздкими, диаметр лимба достигал 70см, для отсчетов использовалось до 6-ти микроскоп-микрометров (с целью исключения ошибок делений), но обеспечивали высокую точность измерения углов (у Струве – 0,4-0,8”, у Теннера и англичан – менее 1”). Успехи геодезического приборостроения в 19в. связаны с успехами в оптике. Внедрение двухкомпонентных объективов позволило длину зрительных труб до 1м и менее. Большой вклад в точное приборостроение внес английский ученый Роберт Гук (1653-1703), первым применивший окуляры с сеткой нитей. Он высказал много гипотез и идей, реализованных другими учеными. В 1752г. Тобиас Майер в работе «Новый метод совершенствования геометрических инструментов» описал повторительный круг и принцип мультипликации углов, т.е. способ повторений, который применялся до 1822г. в высокоточных измерениях, а в малоточных применялся и в20в. Во Франции инструменты создавал Жан Шарль Бордо (1733- 1799), он сконструировал повторительный круг с верньерами и изготовил несколько экземпляров для градусных измерений. Почти одновременно в Англии создавал геодезические инструменты талантливый механик Джесси Рамсден (1735-1800). Он внес большой вклад в астрономическое и геодезическое приборостроение: изобрел машину для деления прямолинейных шкал и кругов; для выполнения триангуляционных работ изготовил базисный прибор, включавший стальные 100-футовые цепи, теодолиты с диаметром горизонтального круга в 3-4 фута, снабдив их отсчетными устройствами с окулярным микрометром, позволявшим оценивать доли делений лимба до 1”. Для астрономических наблюдений он создал инструмент экваториал, в котором отсчетные круги были диаметром 4 фута, а труба длиной 5,5 фута. К 1789г. им было выпущено более 1000 комплектов секстантов, изготовлено значительное число зрительных труб и телескопов. Его инструменты использовались и в России. Рамсден с 1794г. являлся леном Петербургской академии наук. Преемником в руководстве оптико-механического института, созданного и руководившегося Рамсденом, стал его ученик Траугот Лебрехт Эртель (1778-1858). Впоследствии это заведение стало заводом точной механики Эртеля. Под его руководством было изготовлено большое число астрономических (для обсерваторий) и геодезических приборов, в т.ч. и для России. Для Струве в 1820г. он изготовил теодолит, для Пулковской обсерватории – большой пассажный инструмент и вертикальный круг, для Военно-топографического отдела – много разных инструментов. Большое количество теодолитов, нивелиров, кипрегелей и буссолей было изготовлено фирмой «Брейтгаупт и сын», основанной в 1762г. В 19в. при изготовлении деталей инструментов вместо серебра стали использовать платину и палладий, более стойкие к коррозии. В этом столетии произошел значительный прогресс в теории и практике отсчитывания по лимбу. Был создан оптический микрометр, на основе которого Генрих Вильд (1877-1951) разработал и затем усовершенствовал принцип совмещенного отсчета. Этот принцип был реализован фирмой Карл Цейс, Иена в 1920г. (основана в 1846г.). Г. Вильдом были изобретены внутренняя фокусировка зрительных труб, стальные цилиндрические оси приборов, контактный уровень, оптический микрометр с плоскопараллельной пластинкой для отсчитывания по рейке с инварной шкалой, отсчет совмещением изображений штрихов лимба (коцидентное совмещение) в оптических теодолитах и др. Совершенствование всех измерительных приборов в 19в. происходило в направлении получения максимальной точности отсчета и визирования, а также более удобных в транспортировке и работе. Их изготовлением занимались фирмы К.Цейсс, Гильдебрандт, Герлях и др. и выдающиеся механики Рейхенбах, Бруннер, Рейнольдс, Бамберг, Шмалькальдер, Керн, Вильд, Брауер и др. Совершенствовались и простые приборы: измерения прямого угла – экеры, вертикального угла – эклиметры, азимута – буссоли и малоточных теодолитов. При выполнении мензульной съемки в 19в. стали использовать кипрегель, вид которого оставался неизменным и на протяжении первой половины 20в. 7.6.Методы и способы измерений Наряду с совершенствованием методов, изобретенных в предыдущие столетия, изобретали новые, заменяя старые, не обеспечивающие требуемую точность измерений. В связи с возросшей точностью разбивки делений кругов, основной ошибкой при измерении углов стала ошибка визирования, поэтому способ повторений утратил свое значение, вместо него стали применять способ круговых приемов. Струве установил влияние боковой рефракции на точность измерения углов. Он определил коэффициент рефракции для стороны 19,5км и получил 0,249”. Гаусс выявил влияние систематических ошибок на измерения способом повторений и придумал способ измерения углов «во всех комбинациях», который позже реализовал Шрейбер, имя которого и носит этот способ в 20в. (способ Шрейбера). В 1823г. в Италии миланский профессор Порро разработал метод тахеометрии, нашедший широкое применение при съемке. Тахеометрия или тахиметрия – скороизмерение – заключалось в определении превышений между точками с помощью измерения вертикальных углов и наклонных расстояний нитяным дальномером, а положение точек (пикетов) определялось по азимуту и расстоянию. Впоследствии тахеометр Порро был усовершенствован механиком Муано и стал обычным теодолитом. Вместе с тем, строились тахеометры-автоматы, по которым можно было отсчитывать как наклонные так и горизонтальные расстояния. В 1836г. при проложении нивелир-теодолитного хода между Азовским и Каспийским морями длиной около 750км использовали метод параллактической полигонометрии. В 1831г. англичанин Дж.Росс открыл северный магнитный полюс, а в 1899г. норвежец Борхгевинг – южный. В 30-х годах 10в. были созданы горные теодолиты для маркшейдерских работ (в подземных выработках). Во второй половине 19в. стали выполнять систематические наблюдения за сдвижениями земной поверхности над горными выработками. Американский геодезист Андре Талькотт в 1857г. разработал новый способ определения астрономической широты пункта путем измерения малой разности зенитных расстояний двух звезд с помощью окулярного микрометра инструмента. Для этого был сконструирован специальный прибор зенит-телескоп. В начале 19в. Генри Кейтер (1777-1835) создал оборотный маятник, повышающий точность гравиметрических наблюдений, в связи с установлением национального эталона длины. Норвежский метеоролог Генрих Мон (1835-1926) в 1899г. предложил метод относительного определения силы тяжести путем сравнения одновременных показаний ртутного барометра и гипсотермометра. В этом столетии были заложены теоретические и практические основы современной гравиметрии (трудами ученых Лапласа, Стокса, Листинга и др.). - * - Тема № 8. Геодезия в России. 8.1. Геодезия в России в 11-17вв. В России геодезические знания стали применяться позднее, чем в странах Европы. Наиболее ранние сведения о геодезических работах в Древней Руси отражены в летописях 10-11вв. В летописи «Пространная русская правда», написанной в 1054г., приведены сведения о граничных знаках и межах, которые устанавливались путем измерений на местности, а также содержались данные об определении площадей земельных участков для взымания налогов. В 1068г. было измерено расстояние между городами Тамань и Керчь по льду Керченского залива. Почти до 15в. на Руси особой потребности в землемерных геодезических работах не было. Тем не менее, первые планы и описания русских земель появились в 14в. Карты-чертежи считались необходимым документом на землепользование. Они наносились на лубок – кору березы. В связи с объединением отдельных княжеств в единое русское государство, потребовалось изучение территории страны , что нашло отражение в чертежах. Со второй половины 15в. в России стали проводить систематические описания земель, по которым в 1497г. был составлен «Чертеж московских земель». В 1525г. по описаниям и опросам путешественников Д. Герасимов составил «Писцовую карту России». . Хотя чертежи не сохранились, о них приводятся сведения в описании архива царя Василия Иоанновича (1506-1533). В царствование Ивана ΙѴ в 1552г. служилым людям было повелено «землю измерить и чертеж государства сделать». В результате был изготовлен «Большой чертеж всего Московского государства», примерно в 1599г., чертеж не сохранился, но имеется «Книга большому чертежу», в которой записано, что «от многого употребления «Большой чертеж» избился весь и развалился». В 16в. Карты России выпустили в западных странах (в Испании в 1525 ,в Германии в 1544, в Венеции в 1548, в Австрии в 1549, в Англии в 1562, а в Амстердаме в 1633г. был издан атлас, в который было включено 5 карт России). В 1627г. был изготовлен новый «Большой чертеж» с использованием старого и дополненный. Одновременно была дополнена, исправлена и переписана «Книга Большого чертежа». 16 и 17 века для России – это время усиления центральной власти, укрепления ее могущества, величайших географических открытий и присоединения Сибири. В путешествиях и экспедициях обязательно участвовали и землемеры. В 1667г. была составлена первая карта Сибири (резана на дереве и придана теснению, т.е.изготовлены копии) называлась «Чертеж Сибирской земли» - не сохранилась. Сибиряк, уроженец Тобола Семен Ремезов по материалам собранным в путешествиях по Сибири и Киргизской степи составил в 1667г. карту Сибири на холсте размером 2х3м, а в 1698г. «Чертеж всея Сибири», в 1701г. атлас «Чертежная книга Сибири» включавший общую карту Сибири, 20 карт уездов и 2 специальные карты. Карты не имели сетки меридианов и параллелей и были ориентированы на юг. В 1614г. в России появилась первая зрительная труба. До 18в. в России геодезия проявлялась только в межевании (в землеразделении). Этому способствовала «Поместная система» - поощрение служивых людей (за службу царю) земельными наделами, начиная с Ивана ΙΙΙ. Поместная система вызвала необходимость проведения описаний, измерений и разграничений поместных и вотчинных (наследственных) имений, а также передела имений, владельцы которых уклонялись от службы царю. Их имения уменьшались и разделялись между неимущими. Описание земли осуществлялось писцовыми партиями в писцовых книгах, по писцовым наказам. Для писцов было разработано пособие – «землемерные начертания» - для исчисления площадей. Другими пособиями были: «Сотные книги»; «Счетная мудрость»; «Скоромышленники» и др. Была составлена первая русская практическая геометрия «Книга именуемая геометрия или землемерие радиксом и циркулем, глубокомудрая, дающая легкий способ измерять места самые недоступные, плоскости и дебри» (Двухсотлетие МИИГАиК 1779-1979. Большаков В.Д., с 11-83). Наказ по правилам геометрии и перечисленные пособия не сохранились, они упоминаются в описи царского архива в 1575 и 1584гг. (Налбандян С.К. «Из истории развития геодезических работ в России». Труды МИИГАиК, 1959, вып.ѴΙΙΙ, с. 37-44). Должность писца считалась почетной. Межевщики 16в. Характеризовались как … «умелые, отлично знающие сельскохозяйственные условия жизни своих современников и ясно понимающие задачи и цели межеваний и описаний земель». (Герман И.Е. История русского межевания. М.-1914, 291с.). В 17в. Межевание стало правительственным и стало регулироваться специальным законодательством под управлением «Поместного приказа». Инструментом межевания была «мерная вервь» длиной 30, 40 и 80 сажень. Веревка в 80 сажень именовалась длинник, а в 30 – поперечник (площадь 80х30 сажень называлась десятиной, была единицей площади). Углы не измерялись, их обозначали словами направо, налево, вкруте, прямо. Описания сопровождались примитивными чертежами и заносились в Писцовые книги. Специалистов по измерению называли веревщиками. 8.2 Геодезия во времена Петра 1 (1672-1725) В 18в. Во время царствования Петра1 резко усилилось развитие геодезических работ. Он был реформатором, стремился возвысить Российское государство, развивал математические, геодезические, астрономические и др. науки. Был образованным и являлся членом Парижской Академии Наук. Он провел реформу календаря, организовал математико-навигацкую школу, Морскую академию, Петербургский университет, астрономическую обсерваторию и мн. др. Занимался устройством водных путей внутри государства, проведением каналов, районированием территории (разделение на губернии), учреждением специальных школ (инженерная, артиллерийская, медицинская и гимназия). Попытался ввести обязательное всеобщее образование, для чего в 1714г. издал указ об учреждении во всех губерниях цифирных школ с обучением детей от 10 до 15 лет арифметике и началам геометрии. В области геодезии и географии главным считал картографирование территории, открытие новых территорий. К решению этой задачи он подошел всесторонне: 1) создал учебные заведения для подготовки геодезистов (Навигацкую школу и Морскую академию; 2) посылал на учебу за границу офицеров; 3) приобретал за границей книги и инструменты; 4) организовал изготовление инструментов в России. Еще в 1698г. в Москве были организованы «Гравировальня» для подготовки граверов и картоиздателей и «Школа цифири и землемерия». В открытой в 1701г. Математико-навигацкой школе готовили астрономов, геодезистов, географов, гидрографов и навигаторов. В 1703г. была издана «Арифметика» Л.Ф.Магницкого, в которой содержались и основные сведения по астрономии и геодезии. В 1715г. при дворе Петра 1 два механика (И.Е.Беляев и Данилка Колосов), делавшие оптические приборы, в частности ватерпасы с трубой. При Русской Академии наук была открыта оптическая мастерская, в ней делали астролябии, ватерпасы и др. инструменты. При нем и при его участии в 1696г. была начата съемка р. Дон, затем были выполнены съемки Азовского и Черного морей. В результате руководителем съемок адмиралом Корнелием Крюйсом был составлен и напечатан в 1703-1704гг. в Амстердаме «Атлас реки Дона, Азовского и Черного морей». Это знаменовало переход от древнерусского чертежа к географической карте. Для выяснения интересовавшего его вопроса сошлась ли Америка с Азией он в 1719г. послал двух геодезистов (Ивана Евреинова и Федора Лужина) выпускников Морской академии для съемки северной части Тихого океана. Для продолжения исследования востока страны ПетрΙ пригласил в Россию на службу датского капитана Витуса Беринга и в 1725г. организовал его первую экспедицию. Первые инструментальные съемки в России были начаты в 1715г. Для их выполнения были направлены в разные губернии геодезисты – выпускники Морской академии «достаточно обученные геодезии и геометрии». С 1712г. началась сплошная государственная съемка. Выполнение съемки осуществлялось по Инструкции 1721г., составленной самим Петром 1 и названной: «Пункты, каким образом сочинять карты». Этой инструкцией предусматривалось выполнять съемки по уездам с определением квадрантом широт городов и отдельных пунктов, долготы брать с карт или каталогов, а ситуацию наносить по расспросам. При измерениях использовали также астролябию или «феодолит» с компасом, железную цепь длиной 30 сажень. Расстояния цепями измеряли по большим дорогам, румбы определяли по астролябии или компасу. Масштаб съемки был: в Европейской части – три версты в дюйме, в Сибири – от 40 до 60 верст в дюйме. (Для перехода в метрическую систему используется формула М = 84n, где n – число сажень в дюйме. В версте – 500 сажень). В 1705г. при школе Математических наук была открыта Гражданская типография, в которой печатали книги, карты, атласы. Было напечатано около 40 различных карт, в т.ч. первый русский атлас (1713г.). 8.3 Послепетровский период 18в. и 19в. В этот период продолжались геодезические работы начатые Петром 1. Государственные съемки выполняли 175 геодезистов. Результаты съемок направлялись в Сенат. Регистрацией и хранением карт при Сенате занимался И.К.Кирилов (1689-1737). Он из уездных карт составил «Атлас Всероссийской империи» и в 1734г. издал его за свой счет. В атлас вошли 14 специальных карт и одна генеральная. Позднее он добавил еще 15 специальных карт. Специальные карты имели масштаб от 1:32000 до 1: 588000. В атласе было несколько планов городов в более крупном масштабе. Масштаб Генеральной карты был 1:11 970 000. Это была первая обзорная карта России с картографической сеткой и названиями на латинском языке. Карты атласа издавались на Западе. В 1745г. Географический департамент при Петербургской академии наук выпустил на русском и латинском языках «Атлас Российский», состоящий из19 специальных и Генеральной карты. Атлас был составлен по географическим правилам и оформлен на уровне заграничных изданий. Значительная часть атласа составлена под руководством Эйлера (1711-1765), возглавлявшего Географический департамент. В этот период проводилось также картографирование побережий морей Аральского и Белого и озера Байкал. Военным ведомством выполнялись квартирмейстерские съемки, в основном в приграничных территориях. Кроме съемок в обязанности квартирмейстеров входило съемка планов лагерей и маршрутов передвижения войск, всех стратегических дорог. Это были в основном инструментальные съемки с применением астролябии и мерной цепи методом параллельных ходов. Большой вклад в развитие геодезии в России внес М.В.Ломоносов (1711-1765). При нем была введена новая инструкция по составлению карт, написание названий на русском языке. К концу 18в. в России были определены широты и долготы 67 астрономических пунктов с точностью 5” и 8”(фи и лямбда). Оборудование было громоздким: квадрант имел радиус шкалы 1,2м, зрительная труба была длиной 20 футов (6,6м). В комплект входили астрономические часы и другое оборудование. Большое внимание в 18в. уделялось межевым съемкам, для их выполнения разрабатывались инструкции. Так межевая инструкция, утвержденная Сенатом в 1735г., рекомендовала расстояния измерять цепями длиной 10 сажень с полуаршинными звеньями, а углы поворота – астролябией. В 1754г. была введена новая инструкция. В составе межевой партии кроме межевщика должно было быть два геодезиста и военная команда из 10 человек. В 1766г. были изданы две межевые инструкции – одна для землемеров, другая – для межевых канцелярий. Основным пособием по съемке была книга Д.П.Цицианова «Краткое математическое объяснение землемерия межевого», изд.1757г. Точность геодезических измерений была невысокой: в углах ¼ градуса, в линиях - порядка 1/100 (0,5сажени на 50 сажень). Инструкцией предусматривалось производить сличение астролябии и компаса, а мерной цепи с «нормальной саженью». Были указаны и методы съемки. К концу 18в. было отмежевано 22 губернии. В начале 18в. в Росси стали изготавливать отечественные геодезические инструменты. Затем (с 1769г.) при Адмиралтейской коллегии были организованы мастерские по изготовлению теодолитов и астролябий. С 1861по 1875гг. российский механик Брауэр изготовил 3 высокоточных (2”) теодолита с микроскоп-микрометрами. В 19в. развитие геодезии происходило по нескольким направлениям: 1) межевые съемки; 2) триангуляционные работы, имевшие две цели: а) научную – градусные измерения и б) практическую – создание основы для топографических съемок; 3) подготовка кадров. К концу 19в. было выполнено межевание 36 губерний. В межевом архиве на начало 20в. хранилось 575909 планов и 522855 межевых книг. Были усовершенствованы способы астрономических определений, что позволило использовать их как наиболее экономичного и оперативного способа создания точной геодезической основы для топографических съемок. К 1917 г. геодезистами и астрономами было определено более 150 астрономических пунктов и около 5000 экспедиционных пунктов в качестве основы при съемках. Триангуляционные работы выполняли Теннер К.И., Струве В.Я. и др. Теннер К.И. разработал научные принципы организации и методики измерений и обработки результатов триангуляционных работ. Он считал очень важным не только точность измерений, но и надежное закрепление пунктов на местности. Большой вклад в градусные измерения внес В.Я.Струве («Дуга Струве» протяженностью 25о 20'). Он применил новый способ измерения углов, который в измененном виде используется и в настоящее время (способ круговых приемов). Результаты измерений Теннера использовал Бессель при выводе размеров земного эллипсоида, а «дуги Струве» - Кларк, для вывода своих размеров земного эллипсоида. Геодезические сети строились в большом объеме, но без единого плана, были разрозненными и разной точности. Лишь с 1909г. начались научно-обоснованные и планомерные триангуляционные работы. С 1910 по 1912гг. была осуществлена связь российской и индийской триангуляций через Памир. Измерение углов производилось в основном немецкими геодезическими инструментами устаревшей конструкции. Тем не менее, была достигнута высокая точность измерения углов, менее 1''. Только в первом десятилетии 20в. были приобретены совершенные для того времени инструменты фирмы Гильдебранд с электрической подсветкой измерительных кругов. В этом столетии были узаконены меры длины: сажень равнялась 7 английским футам, разделялась на три аршина, каждый в 28 дюймов или 16 вершков. Метрическая система, признанная международной в 1889г., в России была принята законом от 4 июня 1899г. и применялась наравне с прежней до полного перехода на эту систему с 1927г. В 19в. был выполнен также значительный объем нивелирных работ. Были определены разности уровней Балтийского и Черного морей, Черного и Каспийского и уровень озера Байкал. Стали применять геометрическое нивелирование. Съемки выполняли не только межевые, но и топографические, прежде всего приграничных частей страны, а также обновление старых съемок. Было принято решение осуществлять «капитальные исправления старых съемок» периодически, через 15-20 лет. Картографические работы. В 19в. было составлено и издано большое число карт и атласов, в частности, «Большой всемирный настольный атлас Маркса» (в 1905и1909гг.) и «Атлас Азиатской России» (1914). В 20-х годах 19в. начали выполнять высокоточные определения силы тяжести маятниковыми приборами и до 1917г. были выполнены на 400пунктах. 8.4 Подготовка кадров Большое внимание уделялось подготовке кадров, начиная с Петра Ι. В 1779г. было учреждено гражданское образовательное учреждение – Межевая школа – «Константиновское землемерное училище», позже переименованное в Межевой институт (ныне МГГУ- МИИГАиК), ряд других училищ и школ в разных городах. Для армии готовили военных геодезистов на Геодезическом отделении Академии Генерального Штаба (до 1854г.). В 1810 г. при Квартирмейстерской части Генерального штаба было учреждено Училище колонновожатых, начальником был полковник Хатов А.И., картограф, впоследствии генерал. Для поступающих в училище требовалось знание арифметики, алгебры, геометрии географии, истории, черчения планов, а также языков. Поэтому в училище принимали молодежь только из дворян. В училище преподавали астрономию, геодезию, высшую математику и военную историю, для практики производилась съемка Московской губернии. Геодезисты и слушатели Академии Генерального штаба (с 1854г.) дополнительно изучали в Пулковской обсерватории практическую астрономию, высшую геодезию, измерение базисов и нивелирование. До средины 18в. в учебных заведениях пользовались переводными учебниками и конспектами занятий. Первые непереводные учебники по геодезии были написаны и изданы во второй половине 18в. авторами: Цицианов Д.П. «Краткое математическое изъяснение землемерия межевого» (1757, 112с.), Назаров С.И. «Практическая геометрия»(1760,1761), в 19в. Болотов А.П. «Геодезия» в 2-х частях (1836,1837); учебники по топографии Витковского В.В., Беликова С.П., Данилевского А.А.; по высшей геодезии Богуславского Н.А., Гедеонова Д.Д., Жданова А.М., Цингера Н.Я. и др. В 1856г. в России насчитывалось 1419 землемеров, а в 1911 уже более 7700 человек. 8.5. Зарождение и развитие фотограмметрии Еще в середине 16в. была изобретена камера-обскура, с помощью которой создавали перспективные рисунки местности (Порте). В 1600 г. была получена стереоскопическая пара из рисунков (Д.Чименти). В 1725г. М. Каппелер дополнил камеру-обскуру простейшим объективом и с ее помощью получил перспективные рисунки и составил карту горы Пилат в Швейцарских Альпах. В том же веке немецкий математик Ламберт разработал теоретические основы перспективных построений и сформулировал задачу, называемую сейчас обратной фотограмметрической задачей. В 1824г. Нипс изобрел фотографию. Открытие фотографии явилось толчком, новым качественным шагом для зарождающейся науки фотограмметрии. Начало практического развития этой науки связано с именем полковника французской армии А. Лосседа, называемого отцом фотограмметрии. Он в1850-1851гг. попытался использовать наземные фотоснимки в целях составления карт. Затем он применил в фотографии усовершенствованный объектив и на международной выставке в Париже в 1867г. продемонстрировал карту одного района Парижа, созданную им по фотоснимкам наземной съемки. С этого времени стали производить топографические съемки по наземным фотоснимкам и в др. странах. Термин «фотограмметрия» (измерения фотоснимков) ввел в 1873г. Мейденбауер (1834-1921). В Италии военно-географический институт использовал фотограмметрию для составления государственных топографических карт (1878). В 1890г. этот способ опробовал для составления карт Австрийский военно-географический институт. С этого времени фотограмметрия стала широко использоваться в Италии, Германии, Англии, Австрии, США, Канаде. Использование фотограмметрии в топографических съемках способствовало создание соответствующих приборов. Были созданы фототеодолиты и не только с горизонтальным лучом, но также и с наклонным. Первые прообразы фототеодолитов почти одновременно были созданы во Франции, Германии, Италии, но промышленный выпуск был налажен только фирмами «К. Цейсс» в Йене и «Гейде» в Дрездене. Для сравнения методов были проведены одновременно мензульная и фототеодолитная съемки. В результате появился комбинированный метод фототеодолитной и мензульной съемки, который в Италии был утвержден для всех крупномасштабных съемок. В последние 15 лет 19в. фотограмметрия стала применяться для решения прикладных инженерно-геодезических задач, в частности архитектурной съемки исторических памятников. Почти сразу после изобретения фотографии (1839) были попытки получения фотоснимков с воздуха – аэрофотоснимков. Но по настоящему первый аэрофотоснимок был сделан Надаром (1858г) для разведывательных и измерительных целей. Его принято считать пионером аэрофотосъемки. В 1860г. в США был сделан снимок с воздушного шара с высоты 336м. Во многих странах в армиях стали создавать специальные воздухоплавательные отряды и фотографические отделы. В России такой отряд был учрежден в 1884г. В России в 1886г. был создан первый аэрофотоаппарат (В.И.Срезневский). В том же году А.М. Кованько первым в России выполнил аэрофотосъемку устья р. Невы с воздушного шара. Теория фотографирования с воздушного шара была разработана в 1892г. Шиффнером, а в 1893г. американец Адамс запатентовал метод аэрофотосъемки, с помощью которого по фотоснимкам кроме измерений в плане можно было определять высоты точек местности. В США в 1900г. была сконструирована съемочная камера весом 635кг, размер фотопластин 1,37м х 2.40м Первую аэрофотосъемку с самолета выполнил в 1909г. летчик В. Райт, а в России в 1910г. летчик Гельгор. В 1913г. россиянин В.М. Потте создал первый в мире пленочный полуавтоматический аэрофотоаппарат, применявшийся до 1930г. В усовершенствовании фотограмметрических методов принимали участие многие видные ученые, был разработан принцип стереоскопических измерений (Стольцер) и гироскопический стабилизатор аэрофотоустановок. Мюнхенский профессор Финстервальд разработал способ взаимного ориентирования снимков. Для рассматривания пары снимков был создан стереоскоп (автор Гельмгольц). Большой вклад в фотограмметрию внес К.Пульфрих (1858-1927), он сконструировал прибор, названный им стереоскопическим дальномером, который стала выпускать фирма К.Цейсс. Пульфрих в 1901г. создал измерительный прибор - стереокомпаратор - для наземных снимков, а затем и для воздушных снимков. Эти приборы расширили возможности фотограмметрии, повысили точность и оперативность работы. Пульфриха считают одним из основателей фотограмметрического приборостроения. В 1923г. он создал модель фототеодолита, которая оказалась оптимальной по точности, легкости, простоте. Этот прибор выпускался Народным предприятием «Карл Цейсс Йена» до конца 20в. в разных модификациях. В 1908г. было создано автоматическое чертежное устройство - стереоавтограф – аналоговый прибор для наземной стереофотограмметрической съемки. Он представлял собой стереокомпаратор, имевший механизм автоматического преобразования координат снимков в пространственные координаты. Высоты точек определялись автоматически. Стереоавтографы также выпускались фирмой «К.Цейсс». Другим из основоположников фотограмметрии и фотограмметрического приборостроения считается немецкий ученый Макс Гассер (1872-1954), участвовавший в разработке первых приборов двойного проектирования. Он разработал оптико-механический способ взаимного ориентирования фотоснимков; ввел пространственную систему координат при обработке снимков; разработал анаглифический способ обработки снимков. В 1920-1923гг. был создан прибор стереопланиграф модели с/1, а в 1937г. была выпущена уже его пятая модель - с/5. С момента возникновения фотограмметрии встала проблема создания съемочных аппаратов. Были созданы различные фотокамеры и фототеодолиты с использованием фотопластинок на стекле размером 18х24см и 18х18см; камеры устанавливали на алидадный круг углоизмерительного устройства. Они были неприспособленными к полевым условиям из-за неустойчивости, непрочности, изменчивости фокусного расстояния, малой точности в ориентировке. Затем фотокамеры стали точно соединять с осями вращения теодолита. В самом начале 20в. (1901г.) появился фототеодолит фирмы Цейсс модели А с размером пластинок 9х12см с точно пригнанными частями, с постоянным фокусом , с высокой устойчивостью, прочностью и точностью ориентирования. Последующие модификации этой модели использовались до второй мировой войны. В России фотограмметрическая съемка впервые была произведена в 1897г. (Тиле) при строительстве Транссибирской железной дороги у границы с Манчжурией и на Кавказе. До конца 19в. все съемки осуществлялись только фотограмметрическим Способом. Эффективность работ возросла с созданием стереокомпаратора (Пульфрих, 1901г.), положившего начало стереофотограмметрии. В истории фотограмметрии выделяют 4 этапа развития: 1)1850-1900гг. – фотография с применением мензулы; 2) 1900-1960 – аналоговая фотограмметрия; 3)1960- 80-е годы - аналитическая фотограмметрия; 4)с конца 80-х годов - цифровая фотограмметрия. Каждый этап характеризуется одним основным изобретением или группой изобретений. Утверждается, что после возникновения идеи первый прибор выпускается через 15 лет, а через 20-25 лет в практику внедряется новая технология, используемая затем в течение 25 лет. 8.6. Обучение, образование, специализация Обучение геодезии в 19в. проводилось в школах одновременно с изучением геометрии и тригонометрии. В высших школах с 1820 по 1870гг. геодезия и навигация упоминаются вместе с геометрией и тригонометрией, т.е. как вспомогательные к математическим и учебным планам. Так в Английских колониях наиболее популярной практической ветвью математики были геодезия и навигации. В Германии рекомендовалось обучение фундаментальным геометрическим принципам осуществлять соотношением с действительностью, с геометрическими фактами и простейшими упражнениями по топографии. В Англии и США в программах по математике говорилось о пользе измерений на местности с целью обучения геометрии и тригонометрии. Специальное образование геодезистов широкого профиля, «практических геометров» походило в университетах, академиях, военных специализированных организациях, а также в специализированных средних учебных заведениях по подготовке землемеров или топографов. В целом, в геодезическом образовании в 19в. можно отметить три направления: 1) по линии «практической геометрии», 2) по линии топографо-геодезической специализации, 3) по землемерной или землеустроительной (межевой) линии. Первое направление характеризует обще геометрическое образование, особенно школьное (среднее общеобразовательное), когда преподавание геометрических истин, фактов, теорем и следствий из них сопровождалось их демонстрацией на местности путем решения отдельных геодезических задач, вплоть до «снятия планов местности». При поступлении в высшие специальные политехнические и военные учебные заведения проверялись также знания по приложению геометрии и тригонометрии к землемерию и съемке планов (например, при поступлении в знаменитую французскую политехническую школу). Так было во Франции, Бельгии, Пруссии (Апухтин, «Описание некоторых учебных заведений Франции, Бельгии и Пруссии»,1863,СПб). Второе и третье направления характеризуют специальное обучение при подготовке кадров. При этом топографо-геодезическое направление характеризуется преимущественно как военное (топографическое) и в меньшей степени гражданское. В гражданском направлении это в основном развитие геодезических сетей и съемки, создание карт, межевание и горное дело. Геодезические профессии в Европейских странах были или военными (специальный род войск – топографы, геодезисты) или гражданскими (землемеры, геодезисты) и профессия геометр (практик). - * - |