Геодезия. Учебное пособие 2е издание, переработанное рекомендовано методическим советом урФу для студентов, обучающихся по программе бакалавриата по направлению подготовки геодезия и дистанционное зондирование
 Скачать 3.89 Mb.
|
|
Геодезическая астрономия занимается определением исходных астрономических координат для опорных геодезических сетей на основе наблюдений небесных тел (главным образом, звезд). Геодезия, или топография, изучает вопросы, связанные сто- пографической съемкой сравнительно небольших участков земной поверхности и их детальным изображением в виде планов и карт. изучение методов и процессов создания карт значительных территорий относится к картографии вопросы, связанные с получением планов и карт путем фотографирования с воздуха, составляют предмет аэрофотографии. Прикладная инженерная геодезиязанимается изучением методов геодезических работ, выполняемых при изысканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, монтаже оборудования, а также эксплуатации природных богатств страны. Космическая спутниковая геодезия изучает геометрические соотношения между точками земной поверхности с помощью искусственных спутников земли (исз). Геодезическая гравиметрия занимается изучением фигуры земли и ее гравитационного поля путем измерения силы тяжести в отдельных пунктах наземной поверхности [8, с. 7]. таким образом, основной задачей курса геодезии является изучение измерительных, вычислительных и графических методов, которыми пользуется геодезия при определении пространственных отношений между различными предметами и объектами, расположенными на незначительных частях физической поверхности земли. современная геодезия представляет собой сложную многогранную науку, опирающуюся на последние достижения фундаментальных наук высшей математики, физики, астрономии. в настоящее время сложно указать область знаний и практической деятельности человека, которые в той или иной мере не нуждались бы в услугах геодезии. геодезия нужна геологии, геофизике, геоботанике. без нее не могут обойтись инженерные науки. геодезия необходима для военного и морского дела. сама же геодезия нуждается в сведениях, относящихся ко многим научным дисциплинам она опирается на математические дисциплины, знание физических процессов и явлений. Математика вооружает геодезию средствами анализа и методами обработки результатов измерений. на основе законов физики рассчитываются оптические приборы. геодезии нужна астрономия для определения положения точек наземной поверхности и ориентирования относительно сторон света. в настоящее время геодезия складывается как наука из ряда отдельных дисциплин, ив ней происходят революционные изменения. начало этим преобразованиям положили спутниковые системы — высокоточные носители координат и времени. сегодня функционируют спутниковые глобальные системы глонасс (россия) и навстар (GPS, сШа) и др. Эти системы позволяют определять разности координат фиксированных пунктов с относительной погрешностью 1 · 10 –6 от расстояния между ними и с погрешностью от сантиметров до 1–2 дм движущихся объектов относительно неподвижных объектов (пунктов. особенности спутниковых систем (будущее геодезии) — высокая автоматизация и относительная автономность. относительная автономность заключается в том, что не требуется последовательного развития геодезической сети с обеспечением взаимной видимости соседних пунктов для получения координат. появится возможность в достаточно большом радиусе (десятки и сотни километров) определять взаимное положение двух или нескольких спутниковых приемников. при этом должна быть обеспечена прямая видимость с каждого пункта на необходимое созвездие спутников, те. налицо высокоточное, оперативное, автономное определение координат, что коренным образом меняет технологию геодезических работ. на территории нашей страны имеется около 350 000 геодезических пунктов го класса, и для их сохранения, поддержания сети координат на современном уровне требуется периодическое обследование и восстановление. Исторический очерк развития геодезии не многие из современных наук обладают столь древней историей, как геодезия. не относясь к фундаментальным наукам, геодезия дала жизнь многим из них. потребность в геодезических измерениях и изображении земли у человечества возникла в глубокой древности и главным образом в связи с определением границ земельных участков, их разделением по владельцам, строительством городов, крепостей и ирригационных сооружений. дошедшие до нас памятники свидетельствуют о том, что за много веков до нашей эры (XX–X вв. дон. э) в егип- те и китае имелись представления о том, как в различных случаях измерять различные земельные участки. приемы измерения земли были известны ив древней греции. таким образом, геодезия как наука складывалась и развивалась тысячелетиями. уже в те времена геодезия решала значительно более сложные задачи. в вавило- не была создана сложная ирригационная система, регулирующая разливы рек тигра и ефрата, в древнем египте (4000–3000 лет дон. э) были созданы большие оборонительные сооружения и ирригационные системы, строились грандиозные пирамиды (Хуфу). в VI–IV вв. дон. э. пифагором и аристотелем были высказаны предположения о шарообразности земли, перед геодезией встала научная задача по определению радиуса земли. первая попытка определить радиус земли была сделана Эратосфеном (276–196 гг. до н.э.) путем измерения дуги меридиана и измерения разности широт конечных точек этой дуги, св п. 1.2 будет подробно изложен способ определения радиуса земли Эратосфеном. после Эратосфена греки и арабы несколько раз определяли размеры земли. особый интерес представляют градусные измерения, выполненные в 827 г. н. э. [9, св период расцвета арабского халифата калифом аль-Мамуном (786–833 гг.) — сыном известного гарун-аль-рашида, в долине синджар в Месопотамии. к северу и к югу от точки с широтой 35° измеряли дуги меридиана величиной в 1°. при этом впервые были произведены как угловые, таки линейные измерения с удивительной для своего времени точностью длина дуги 1° меридиана оказалась равной 111,8 км вместо км по современным данным, те. ошибочной менее чем на 1 %, а радиус земного шара равным 6406 км. после этой выдающейся работы долгое время не проводилось никаких исследований по определению фигуры земли. в средние века, в период господства церкви и инквизиции, наука греков и арабов была забыта, правильные научные представления о земле и небесных светилах объявлялись ересью, выдающиеся мыслители подвергались жестоким преследованиям. наступает эпоха мрачного средневековья. по образному выражению с. цвейга, дух человеческий парализован как после смертельно опасной болезни, человечество больше ничего не желает знать о мире, который он населяет. и самое удивительное — все, что люди знали ранее, непонятным образом ими забыто. только в эпоху великих географических открытий начинается эра возрождения и новый расцвет науки искусства. после кругосветного путешествия Магеллана в 1519–1522 гг. сомневаться в шарообразности земли было уже невозможно. развитие мореплавания и торговли, новые путешествия требовали подробных и точных карт, которые могли быть созданы только на основе правильных данных о размере земного шара. в связи с этим был предпринят ряд новых попыток определить размеры земли. наиболее удачным для того времени оказалось измерение, выполненное в 1528 г. французским учеными придворным врачом Жаном Фернелем (1497–1558), определившем дугу меридиана между парижем и амьеном. он получил длину дуги в 1° парижского меридиана равной 56 747 тоазам (1 тоаз = 1,94904 мили км (ошибка по сравнению с современными данными составляет однако новая эпоха в истории градусных измерений начинается с 1614 г, когда голландский астроном и математик снеллиус (1580–1626) предложил метод триангуляции. при помощи триангуляции можно точно определять на местности длины дуг в сотни и тысячи километров. так была исключена основная трудность в организации градусных измерений — проведение линейных измерений большой протяженности. большой вклад в повышение точности градусных измерений, внедрение метода триангуляции, его совершенствование сделал французский академик Жак пи- кар (1620–1682), который впервые снабдил полевые геодезические приборы зрительными трубами с сетками нитей. Эти приборы явились прообразом современных теодолитов. в 1669–1670 гг. Ж. пикар повторил градусное измерение Фернеля между парижем и амьеном, построив цепь из 13 треугольников. измерения Ж. пикара дали небывало точный для того времени результат длины дуги 1° парижского меридиана — 111,211 км. Ж. пикар ошибся менее чем нам. радиус земли определен им в 6372 км. работами Ж. пикара завершается первый период визу- чении фигуры земли, длившийся свыше 2 тыс. лет, когда считалось, что земля является правильным шаром. также считали сам Ж. пикар. важный период в изучении формы и размеров земли связан с именем великого английского ученого и. ньютона (и. ньютон показал, что фигурой равновесия однородного жидкого тела, все точки которого подвержены взаимному притяжению, является шар, поскольку равнодействующая всех сил направлена вдоль радиуса к центру. на вращающуюся же жидкую массу, помимо силы тяжести, действует еще центробежная сила, возрастающая от полюсов к экватору и стремящаяся приплюснуть шару полюсов. в результате этого фигурой равновесия вращающейся жидкой массы становится не шара эллипсоид вращения с малым сжатием сохранились сведения о геодезических работах, выполненных в россии. потребность в измерениях земли возникла на руси в очень отдаленные времена. в государственном Эрмитаже хранится камень, на котором высечена надпись : в лето 6576 глеб князь мерил морем по льду от тьмутороканя до корчева 11 тысяч сажен». Это означает, что в 1068 г, те. в XI в, было измерено расстояние между городами таманью и керчью через керченский пролив по льду. измерения земной поверхности производились не только в интересах землевладения и земельного обложения налогами, но и для строительства и военных целей. на западных и восточных рубежах нашей родины сохранились остатки оборонительных сооружений, свидетельствующие о таланте и мастерстве древнерусских строителей. русская землеизмерительная техника развивалась также под влиянием потребности государства в географической карте. карта Московского государства большой чертеж была первой русской картой. время составления неизвестно. изготовленная в единственном экземпляре, она пополнялась, исправлялась ив г. за ветхостью заново была вычерчена. в 1697 г. сибирским летописцем с. ремезовым была составлена подробная карта сибири (2 × 3 м, на холсте. Это были главные картографические работы, исполненные в россии в допетровскую эпоху. новые экономические условия и политическая обстановка, сложившаяся при петре I (1672–1725) предъявляют новые требования к карте. в 1696 г. были выполнены топографические съемки на дону, в 1715 г. — на иртыше. в 1718–1722 гг. геодезисты ев- реинов и лужин выполнили топографические работы на камчатке и курильских островах с целью картографирования отдаленных районов российской империи. в 1739 г. был учрежден географический департамент петербургской академии наук, он объединил картографические работы в стране (в 1757–1763 гг. во главе его стоял М. в. ломоносов). к концу XVIII в. было определено 67 астрономических пунктов. первые геодезические опорные сети были проложены в ви- ленской губернии и прибалтийском краев г. методом триангуляции и связаны с именами в. я. струве и к. и. теннера. научная постановка таких работ в россии принадлежит василию яковлевичу струве (1793–1864) — основателю и первому директору пулковской обсерватории [10, св г. в россии был организован корпус военных топографов съемочные работы получили быстрое развитие. кроме того, съемки производило Межевое ведомство, главное гидрографическое управление, геологический комитет, горное ведомство и русское географическое общество. в конце XIX в. вдоль дорог стали производить точное нивелирование, для закрепления которого на станционных зданиях ив стенах капитальных сооружений закладывались постоянные знаки — марки и реперы. роль геодезии в практической жизни страны значение геодезии в народном хозяйстве нашей страны трудно переоценить. за последнее время произошли огромные изменения в развитии науки и техники, в том числе в развитии геодезии и картографии. геодезисты одними из первых научно оценили и практически использовали исз (в результате появилось новое направление — космическая геодезия. съемки из космоса положили начало космической картографии. на Федеральную службу геодезии и картографии (Фсгк) была возложена задача обеспечения фотографических съемок из космоса и связанные с этим картографические работы. не разв сообщениях тасс рассказывалось о запусках искусственных спутников земли серии космос, предназначенных для исследования природных ресурсов земли в интересах различных отраслей народного хозяйства нашей страны и международного сотрудничества. поступающая со спутника информация обрабатывается и используется в основном для составления тематических карт, необходимых самым различным отраслям народного хозяйства и науки. по материалам космической съемки могут успешно картографи- роваться малообследованные и труднодоступные территории па- мира, крайнего севера и антарктиды. геодезические и картографические работы сейчас развиваются на основе широкого применения современных электронно-оп- тических свето- и радиодальномеров, электронных тахеометров, глобальных систем позиционирования, лазерного сканирования и других методов и приборов, построенных с применением новейших технологий. особенно широко внедрилась в практику работ электронно-вычислительная техника. геодезические и фотограм- метрические вычисления, основанные на использовании современных ЭвМ, достигли такого уровня, что теперь решаются задачи, которые еще недавно считались практически нереальными. в настоящее время появились новые направления, имеющие важное научное и практическое значение, — это изучение деформаций земной коры геодезическими методами и картографирование шельфа. систематическое проведение высокоточных астрономо-гео- дезических (триангуляционных, трилатерационных, полигонометрических, спутниковых, нивелирных и гравиметрических) измерений и производство аэрокосмических съемок могут внести существенный вклад в развитие теории, а в будущем ив организацию прогноза землетрясений. Эта задача соответствует основному направлению современной геодезии, которая ставит целью измерение не только формы, размеров и гравитационного поля земли, но и изменения их во времени. Чем выше информативность карт шельфа, тем больше их хозяйственная и научная ценность. вопрос информативности карт шельфа является ключевым вопросом проблемы топографической съемки шельфа, изучения мирового океана и его ресурсов. для обеспечения непрерывного роста производительных сил страны необходимо изучать ее территорию в топографическом отношении. Эта задача успешно решается при помощи карт различных масштабов, создаваемых по результатам геодезических работ. геодезия играет важную роль при решении многих весьма ответственных задач, например, при изыскании, проектировании и строительстве гидротехнических сооружений (гидростанций, каналов, промышленных сооружений (заводов, фабрик, электростанций и пр, железных дорог, городов и населенных пунктов, аэродромов, подземных сооружений (метрополитена, шахт кабельных линий, различных трубопроводов, линий электропередач, при землеустройстве, при лесоустройстве. Монтаж уникального оборудования автоматических линий большого протяжения, мощных ускорителей ядерных частиц, радиотелескопов должен быть выполнен с весьма высокой точностью мкм) в плане и по высоте. опыт показывает, что такие задачи успешно решаются геодезическими методами. велико значение геодезии в обороне страны. вся армия в целом нуждается в картах различных масштабов по ним изучают местность, на которой предстоит действовать, на них изображаются боевые операции войск. некоторые рода войск имеют в своем составе специальные геодезические подразделения. таким образом, в настоящее время трудно указать область хозяйства нашей страны, в которой геодезия и геодезические расчеты не имели бы существенного значения. важнейшая роль принадлежит геодезии в составлении иве- дении государственного земельного кадастра. данные земельного кадастра необходимы для рационального использования земель и их охраны, регулирования земельных отношений между пользователями, планирования различных видов деятельности, обоснования размеров платы заземлю и решения других задач [8, с. 9] организация геодезической службы россии после октябрьской революции 1917 г. и до настоящего времени был проведен огромный объем работ в области геодезии и картографии марта 1919 г. в. и. ленин подписал декрет о создании государственной картографо-геодезической службы, определяющей цели и задачи советской геодезии. геодезия и картография в ссср развивались на высоком уровне, обслуживая многочисленные отрасли народного хозяйства. в 1928 г. был создан центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии (цниигаик), занимающийся вопросами науки за годы существования ссср были проведены большие геодезические работы под руководством главного управления геодезии и картографии (гугк). в период с 1940 по 1945 г. была создана государственная карта ссср в масштабе 1 : 1 000 000. дооктябрьской революции геодезическая изученность территории нашей страны составляла 11 %, а кг. достигла 44 %. дореволюционная геодезическая промышленность была представлена несколькими геодезическими мастерскими. в настоящее время в небольших объемах разрабатываются и выпускаются высокоточные и сложные геодезические инструменты. за годы советской власти развилась аэрофотосъемка, которая проводила съемочные работы на огромных пространствах нашей страны. в области геодезии и картографии в разное время работали и работают немало видных ученых. Член-корреспондент ан ссср Ф. н. красовский сделал огромный вклад в постановку и создание опорных геодезических сетей. профессор в. в. дани- лов работал в области высшей геодезии. большой вклад в разработку научных проблем геодезии внесли в. в. попов и но. ур- маев. заслуженный деятель науки и техники ас. Чеботарев известен своими крупными работами в области теории вероятности по способу наименьших квадратов, точных линейных измерений. Мс. Молоденский, пс. закатов известны своими работами в области высшей геодезии, п. М. орлов, пи. Шилов и др. — в области инженерной геодезии. в последние годы были разработаны и внедрены новые передовые технологии широкое применение аэрокосмического комплекса спутниковая навигация, создание и успешное применение геоинформационных систем (гис). они позволили собрать уникальную информацию о поверхности земли и отдельных ее частях. отметим только основные достижения последнего времени создание общеземной системы координат ск-95 со средней квадратической ошибкой взаимного положения пунктов 1–2 дм определение параметров фигуры, размеров и гравитационного поля земли, земного эллипсоида, фундаментальных астрономических и геодезических постоянных • получение данных о поверхности Мирового океана получение фотографического изображения земной поверхности из космоса в масштабах от 1 : 10 000 до 1 : 1 000 000 с разрешением на местности от 1 до 10 м. создание модели земли позволяет определить ее теоретическую фигуру — как геоид со средней квадратической ошибкой (ско) высот относительно земного эллипсоида порядка 1–2 м. космическая съемка дает возможность строить планово-вы- сотное обоснование карт, обновлять старые карты и создавать топографические документы в масштабе 1 : 50 000 и мельче. площадь российской Федерации 17,1 млн кв. км, и на сегодняшний день картографической продукцией масштаба 1 : 25 000 — 1 : 1 000 000 обеспечена вся территория страны, а масштаба всей территории. в обновлении нуждается до 70 % различного картографического фонда. в архивах Федеральной службы и росреестра имеется порядка млн космических снимков, полученных за последние 15–20 лета также серии топографических и тематических карт, созданных на основе аэрокосмических съемок. быстрый доступ, эффективное манипулирование, комплексная обработка и системный анализ столь значительных объемов различной пространственной информации возможны только с использованием гис-технологий. созданы цифровые электронные карты (цЭк) масштаба 1 : 1 000 000. ведутся работы по созданию карт масштаба и 1 : 15 000 000. цифровые карты масштабов 1 : 25 000 и 1: 5 000, а также планы городов масштабов 1 : 10 000 — 1 : 500 на наиболее развитые районы россии планируется создать к концу 2020 г. однако следует отметить, что, несмотря на все достигнутое, уровень отечественной цифровой картографии отстает от мирового налет. Идея шарообразности Земли античных философов проблема установления действительных размеров и формы земли является одной из важнейших проблем естествознания и волнует человечество с древнейших времен до наших дней. идея шарообразности земли возникла еще у древних греков ( пи- фагор, IV в. дон. э парменид, IV–V вв. дон. э аристотель, IV в. дон. э, но потом оставалась в забвении более полутора тысяч лет, до времен колумба и кругосветных путешествий. пифагор к идее шарообразности пришел чисто умозрительным путем, считая, что самым совершенным из геометрических тел является шар, значит и земля должна иметь такую же форму. аристотель имел уже первые научные доказательства шарообразности земли из наблюдений лунных затмений. по форме тени на лунном диске можно было представить землю выпуклым шарообразным телом. кроме того, наблюдая за появлением верхней и исчезновением нижней части корпусов кораблей на морском горизонте, можно судить о том, что поверхность земли выпуклая. Первые измерения Земли то, что земля является шаром, убедительно обосновал аристо- тель (384–322 гг. дон. э, поскольку, как он говорил, в противоположном случае вовремя лунных затмений мы не видели бы на луне такого четкого круглого сегмента. поскольку лунные затмения образуются земной тенью, то и земля должна иметь вид шара. размеры нашей планеты впервые удалось определить в 240 г. дон. э. знаменитому древнегреческому математику, географу и астроному Эратосфену (276–196 гг. дон. э, жившему |