Кочетова Э.Ф. Инженерная геодезия. Учебное пособие представляет собой конспект лекций по инженерной геодезии для студентов, изучающих эту дисциплину и для производственников, занятых в строительстве.
 Скачать 5.68 Mb.
|
|
КОЧЕТОВА ЭЛЕОНОРА ФЕДОРОВНА КОЧЕТОВА ЭЛЕОНОРА ФЕДОРОВНА ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДЕЗИЯ КОЧЕТОВА ЭЛЕОНОРА ФЕДОРОВНА МИН ОБ Р НАУКИ РОСС И И Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ) КОЧЕТОВА ЭЛЕОНОРА ФЕДОРОВНА ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДЕЗИЯ Учебное пособие Нижний Новгород ННГАСУ 2012 УДК528.48(07) К 21 Кочетова ЭФ. Инженерная геодезия Учебное пособие- Нижний Новгород ННГАСУ, 2012.-153 с. Рецензенты профессор Волжского государственного инженерно-педаго- гического университета, кандидат технических наук Китов А.Г., профессор Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии, кандидат технических наук Мозжухин О.А., директор ООО «Геодимер», кандидат технических наук, доцент Оболенский Н.Н. Учебное пособие представляет собой конспект лекций по инженерной геодезии для студентов, изучающих эту дисциплину и для производственников, занятых в строительстве. В учебном пособии кратко рассмотрены вопросы, начиная с вопросов общей геодезии и заканчивая вопросами специальной части – инженерно-геодезические работы на строительной площадке ННГАСУ, 2012 3 Введение Инженерно-геодезические работы являются важной и неотъемлемой частью комплекса работ по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений, автомобильных дороги сооружений на них, аэродромов, гидромелиоративных систем, объектов лесного хозяйства и лесного инженерного дела. Эти работы во многом определяют как стоимость и качество строительства, таки условия последующей эксплуатации инженерных объектов. Поэтому инженер-строитель, инженер-землеустроитель, инженер лесного хозяйства должны хорошо владеть традиционными методами геодезии. Только зная эти методы, можно овладеть новыми высокопроизводительными методами инженерно-геодезических работ, необходимых на современном этапе научно-технического прогресса. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса, с учетом того, что студенты закончили изучение таких дисциплин, как высшая математика, физика и другие общетехнические науки. В пособии рассмотрены теоретические вопросы, методы и точность измерений, приборы таким образом, чтобы максимально облегчить самостоятельную работу студентов при изучении основ инженерной геодезии. 4 1. Общие сведения 1.1. Предмет и метод геодезии как науки Дословный перевод слова геодезия означает «землеразделение». Зародившись в странах древнего Востока как необходимая составная часть хозяйственных работ, она переросла это узкое понятие и выделилась в самостоятельную науку, имеющую свой предмет изучения и свои методы. Объектом изучения геодезии являются Земля и другие планеты солнечной системы. Выделяют следующие методы изучения Земли 1. Непосредственный – заключается в непосредственном измерении определенных величин на поверхности земли с помощью геодезических инструментов (теодолиты, нивелиры, дальномеры, тахеометры и др. Виды измерений углы и расстояния, направления меридианов, сила тяжести и т.д. 2. Фотометоды: решение задач путем преобразований фотоснимков (земной) поверхности. По месту расположения фотографирующего устройства они делятся на наземные и воздушные. 3. Космические методы а) наблюдение и фотографирование Земли и других планет из космоса б) наземные наблюдения за движением космических аппаратов с помощью оптических, фотографических и лазерных систем. 4. Комбинированные методы. Геодезия решает научные и практические задачи. Научные задачи 1. Определение формы и размеров Земли. 2. Изучение движений земной коры. 3. Определение внешнего гравитационного поля Земли. 4. Изучение внутреннего строения Земли. 5. Геодезическое изучение и картографирование небесных тел Практические задачи 1. Составление планов и карт земной поверхности, а также рельефа дна морей и океанов в прибрежной зоне – шельфе составление их электронных аналогов – цифровых моделей местности и электронных карт. 2. Решение инженерных задач в различных областях народного хозяйства строительстве, сельском хозяйстве, землеустройстве, ирригации и др. Ввиду большого разнообразия и сложности решаемых задач геодезия делится наряд дисциплин высшая геодезия (решает научные задачи, топография или просто геодезия (я практическая задача, космическая геодезия, морская геодезия, фототопография, маркшейдерское дело и инженерная геодезия (прикладная. На основании вышеизложенного геодезию можно определить как науку об измерениях на поверхности Земли и измерениях других космических объектов. Это наука, изучающая методы определения их фигур и размеров для получения их изображений в графическом и электронном видах и измерения этих изображений. Геодезия изучает также способы проведения специальных измерений для решения инженерных задач в народном хозяйстве. 5 1.2. История развития геодезии, ее значение и связь с другими науками. Эту тему студенты прорабатывают самостоятельно) 2. Общая фигура Земли и определение положения точек земной поверхности Форма и размеры Земли Точное знание фигуры Земли необходимо для наиболее правильного изображения поверхности Земли на картах, для космонавтики, авиации, мореплавания и т.д. Форма всякого тела определяется ограничивающей его поверхностью. Для определения фигуры Земли в геодезии используется четыре вида поверхностей. Физическая поверхность – совокупность всех неровностей суши и дна океанов, а также поверхности воды. Она не может быть выражена конечным математическим уравнением, поэтому используется для решения лишь некоторых практических задач геодезии. 2. Уровенная поверхность – поверхность воды Мирового океана в спокойном состоянии, мысленно продолженная под материками. В 1873 году немецкий ученый Листинг назвал ее поверхностью геоида. Океаны составляют 71%, суша – 29%. Поверхность воды всюду горизонтальна, те. перпендикулярна к отвесным линиям (направление силы тяжести. Поверхность суши и дна океанов изучают относительно поверхности геоида. Расстояния от точек физической поверхности Земли до уровенной поверхности по направлению отвесных линий называют высотами точек, а их числовое выражение называют отметками. Они могут быть положительными и отрицательными. В России за поверхность, совпадающую с геоидом, принята поверхность Балтийского моря ноль Кронштадского футштока). Высоты, отсчитываемые от уровня Балтийского моря, называются абсолютными, от другой какой - либо уровенной поверхности условными. Геоид пригоден для решения практических задач. Для теоретических расчетов он непригоден, так как не имеет конечного математического выражения из-за непостоянства направления отвесных линий вследствие неравномерного распределения масс внутри Земли. Кроме того, уровень поверхности воды в различных океанах различен имеются приливы и отливы. 3. Поверхность эллипсоида вращения получается при вращении эллипса вокруг малой (полярной) полуоси. Эллипсоид характеризуется тремя величинами а – большая полуось, в – малая полуось, а полярное сжатие 3 , 298 1 = − = a Эллипсоид ориентируется в теле Земли определенным образом. Постановлением Совета министров СССР №760 от 7 апреля 1946 года в нашей стране для геодезических работ принят эллипсоид Красовского Ф.Н. Его размеры а м, в м. По наблюдениям ИСЗ Козаи Ив году получил α=1: 298,31; Жонголвич И.Д. в 1960 – α=1: 298,2; Козаи Ив Эллипсоид, относительно которого ведутся все геодезические работы в данной стране, называется референц-эллипсоид. 4. Для решения многих практических задач достаточно за фигуру Земли принять шар с радиусом R=6371 км. 2.2. Метод проекций и системы координат в геодезии Для изображения физической поверхности Земли на бумаге ее сначала проецируют отвесными линиями на горизонтальную (уровенную поверхность. Поскольку отвесные линии перпендикулярны геоиду, то мы имеем ортогональную (прямоугольную) проекцию, как ив технике. В геодезии эта проекция называется горизонтальной (рис. 1). А, В, С, Д – точки физической поверхности, а, в, с, д – их горизонтальные проекции. Предположим, что наш участок имеет размеры, меньшие 25 км, и его можно принять за горизонтальную плоскость. В С СВ ν СД ДАВ ν ДС А АД вс св сд Р ав в β с β д да а ад Рис. 1. Метод проекций в геодезии АВСД – четырехугольник в пространстве, авсд – его горизонтальная проекция. Участок менее 25 км, Р – горизонтальная плоскость (рис. Проекция линии местности на горизонтальную плоскость называется горизонтальным проложением этой линии ав есть горизонтальное проложение линии АВ и т.д. Проекции пространственных углов на горизонтальную плоскость называются горизонтальными углами вад, авс и т.д. есть горизонтальные углы. Угол между линией местности и ее проекцией на горизонтальную плоскость называется углом наклона ее или вертикальным углом ν 1 ,ν 2 и т.д. являются углами наклона. Чтобы на листе бумаги изобразить горизонтальную проекцию участка местности, необходимо знать горизонтальные проложения линий и горизонтальные углы между ними. Горизонтальные проложения можно найти, если известно наклонное расстояние между точками и угол наклона ав=АВ·соs ν 1 ; вс =ВС· со ν 2 7 Таким образом, для получения проекций точек на горизонтальную плоскость необходимо знать три величины наклонное расстояние, угол наклона вертикальный угол) и горизонтальный угол. Именно эти три величины и измеряют в геодезии. Для того чтобы после проецирования определить положения проекций на фигуре Земли, в геодезии используется несколько систем координат. Географическая система координат служит для определения положения проекций точек на сферической поверхности. Началом счета являются нулевой меридиан и нулевая параллель (рис. 2). Меридиан – есть линия пересечения поверхности фигуры Земли с плоскостью, проходящей через ее ось вращения. Параллель – линия пересечения поверхности фигуры Земли с плоскостью, перпендикулярной ее оси вращения. За нулевой меридиан принимается Гринвичский, за нулевую параллель – параллель наибольшего диаметра, называемая экватором. Положение точки определяется тремя величинами λ – долготой широтой, Η – абсолютной высотой. Долгота и широта точек определяются по градусной сетке на картах. Долгота – это двугранный угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана данной точки. Долготы считаются от Гринвича на запад и на восток, называются западная и восточная и изменяются от 0˚ до 180˚. Широта есть угол между отвесной линией в данной точке и плоскостью экватора. Отсчитываются широты от экватора на север и юг, называются северными и южными и изменяются от 0˚ до 90˚. А Га а λ а Рис. 2. Географическая система координат На рис. 2 А – точка физической поверхности Земли а – ее проекция на поверхность эллипсоида. Прямоугольная система координат служит для определения положения точек на плоскости. Эту систему образуют две взаимно перпендикулярные прямые, называемые осями координат. Ось х (абсцисс) обычно совмещают с осевым меридианом (ось симметрии зоны. Положительное направление – северное. Положение точки определяется тремя величинами х, у, Нс их знаками рис. 3). С Х х+ х+ у+ у- З В Ух- х- у- у+ Ю Рис. 3. Прямоугольная система координат Если за направление оси Х принята любая линия, то система координат называется условной. Полярная система координат применяется на плоскости. Ее основой служат начало координат, называемое полюсом, и полярная ось, совмещаемая обычно с полуденной линией (меридианом в точке О. Положение точки а (рис. 4) определяется полярным углом а, отсчитываемым почасовой стрелке от полярной оси до направления на данную точку, полярным расстоянием (радиусом – вектором) r а, равным горизонтальному расстоянию от полюса доданной точки, и абсолютной отметкой На Полярная ось а а r а О Рис. 4. Полярная система координат 9 Равноугольная поперечно – цилиндрическая проекция Гаусса – Крюгера зональная система координат. Для того чтобы представить сферическую поверхность Земли на плоскости (бумаге) без разрывов и с минимальными искажениями, чтобы иметь возможность перехода от географических координат к прямоугольными обратно, применяется указанная проекция. Весь земной шар делится меридианами на зоны по 6˚ (рис. б. Их счет ведется от Гринвича на восток от 1 до 60. Затем каждая зона разворачивается самостоятельно на плоскость с помощью цилиндра. Для этого зона помещается в цилиндр того же радиуса что и шар так, чтобы касание шара и цилиндра происходило по среднему (осевому) меридиану зоны (риса. Затем все точки зоны проецируются с шара на цилиндр при условии равенства горизонтальных углов на шаре и цилиндре. Длины при этом искажаются у цил. = у шу ш) – по направлению у - ов. S цил. = шу ш) – по вертикальному направлению. а) б) зона 6º по долготе ● 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 осевой меридиан цилиндр осевой меридиан Рис. 5. Проекция Гаусса-Крюгера После проектирования цилиндр разрезают по образующей и развертывают на плоскость без искажений. Осевой меридиан принимают за х, линию пересечения экватора с цилиндром за у (рис. Для получения положительных значений у, ось х относят на 500 км к западу. Перед значением уставят номер зоны, так как системы координат в зонах одинаковы. 10 Х Х Х Х Х 1 2 3 4 1 1 У 500 км Рис. 6. Зональная система координат На планах и картах существует координатная сетка, которая служит для определения прямоугольных координат точек. Вертикальные линии сетки параллельны осевому меридиану, а горизонтальные – линии экватора. Например, ха км у а км, 14 – номер зоны. Долгота осевого меридиана N – ой зоны равна λ=6˚N-3˚. Для перехода от географических координат к прямоугольными обратно приближенно принимают длину дуги 1˚ – км 1΄ – 1852 мм. метр = 1: 10000000 часть четверти меридиана = 1650763,73λ (длин волн, λ – длина волны оранжевой спектральной линии излучения атома криптона, с атомной массой 86. Постановлением правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 г. Об установлении единых государственных систем координат установлены единая государственная система геодезических координат 1995 г. (СК – 95) для использования в геодезических и картографических работах Российской Федерации начиная с 1 июля 2002 года единая государственная геоцентрическая система координат (ПЗ – 90) для геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач. Новая единая система государственных координат СК – 95 в стране введена взамен действовавшей с 1946 г. единой системы государственных геодезических координат 1942 г. В результате введения в стране СК – 95 повысятся точность, оперативность и экономическая эффективность решения задач геодезического обеспечения экономики, науки и обороны государства на уровне современных требований. СК – 95 была получена по результатам двух этапов уравнивания [11]. За отсчетную поверхность в СК – 95 принят Референц-эллипсоид Красов- ского, началом системы координат 1995 года является центр отсчетного эллипсоида. Положение пунктов в СК – 95 определяется пространственными прямоугольными координатами Х, У, Ζ; геодезическими координатами – широтой В, долготой L и высотой Н плоскими прямоугольными координатами х, у, вычисляемыми в проекции Гаусса - Крюгера. Направление оси Ζ совпадает с осью вращения отсчетного эллипсоида, ось Х лежит в плоскости нулевого меридиана, ось У дополняет систему до правой, геодезическая высота Н образуется как сумма нормальной высоты и высоты квазигеоида над эллипсоидом Красовского. СК – 95 строго согласована сединой государственной системой координат ПЗ – 90 (Параметры Земли 1990 г, которая закреплена на местности пунктами космической геодезической сети. 3. Ориентирование Ориентировать линию местности значит – определить ее направление относительно какого – либо другого направления, принимаемого за исходное. В геодезии исходными являются истинный (географический) меридиан, магнитный меридиан и осевой меридиан зоны. Для ориентирования линий служат углы азимут, румб и дирекционный угол. Истинный азимут линии это горизонтальный угол, отсчитываемый от северного направления истинного меридиана или параллельной ему линии походу часовой стрелки до направления данной линии местности. Плоскость истинного меридиана проходит через отвесную линию в данной точке и ось вращения Земли, определяется из астрономических наблюдений. Горизонтальной проекцией истинного меридиана является полуденная линия. Изменяются азимуты от 0˚ до 360˚. В геодезии различают прямое направление линии АВ и обратное ВА (рис. 7). Соответственно различают истинный азимут прямого направления (прямой АВ) и истинный азимут обратного направления обратный АВ). Для одной точки они отличаются ровно на 180˚: А пр. =А обр. ±180˚. зап А Ас пр. γ вост. САД пр.Ас обр. Д А Е пр. А Д обр. ЕВА Еобр.Рис. 7. Истинный азимут 12 Ас обр. =А с пр+ 180˚; А Д обр. = А Д пр. + 180˚; А Е обр. =А Е пр. + 180˚; А Д обр. =А С пр. + зап А Е обр. =А С пр. +180˚+γ вост. Из рис. 7 видно, что истинные азимуты одной и той же линии в различных ее точках отличаются на величину γ, а прямой и обратный азимуты – на (180˚+γ). Магнитные азимуты линий есть горизонтальные углы, отсчитываемые от северного направления магнитного меридиана или линии ему параллельной походу часовой стрелки до направления заданной линии местности. Направление магнитного меридиана определяется магнитной стрелкой, оно не совпадает с направлением истинного меридиана в данной точке на угол δ, называемый склонением магнитной стрелки. Склонение может быть западными восточным, в пределах России δ меняется от до ±15˚. Существует связь между истинными магнитным азимутами А ист. =А маг. +δ. Все вышесказанное об истинных азимутах в равной мере относится и к магнитным азимутам. Дирекционный угол есть горизонтальный угол, отсчитываемый походу часовой стрелки от северного направления осевого меридиана или линии, ему параллельной, до направления данной линии местности. Изменяется он от 0˚ до 360˚. Дирекционные углы одной и той же линии в различных ее точках одинаковы, а прямые и обратные дирекционные углы всегда отличаются ровно на 180˚ (рис. 8): с Д Д α |