Лекции (геодезия). Лекция 1 введение
 Скачать 0.55 Mb.
|
|
1 Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ Геодезия – одна из древнейших наук. Слово «геодезия» образовано из двух слов – «земля» и «разделяю», а сама наука возникла как результат практической деятельности человека по установлению границ земельных участков, строительству оросительных каналов, осушению земель. Современная геодезия – многогранная наука, решающая сложные научные и практические задачи. Это наука об определении формы и размеров Земли, об измерениях на земной поверхности для отображения ее на планах и картах, а также для создания различных инженерных сооружений. Задачи геодезии решаются на основе измерений, выполняемых геодезическими инструментами и приборами. В геодезии используют положения математики, физики, астрономии, картографии, географии и других научных дисциплин. Геодезия подразделяется на высшую геодезию, геодезию, космическую и спутниковую геодезию, радиогеодезию, картографию и топографию, фотограмметрию и инженерную (прикладную) геодезию. Каждый из этих разделов имеет свой предмет изучения, свои задачи и методы их решения, т.е. является самостоятельной научно-технической дисциплиной. Высшая геодезия изучает фигуру и размеры Земли, ее внешнего гравитационного поля (значения и направления силы тяжести в окружающем Землю пространстве и на ее поверхности), взаимного положения на ней точек, значительно удаленных друг от друга, и их точного изображения на плоскости в проекции, учитывающей возникающие при этом искажения. Геодезия занимается изучением в геометрическом отношении формы и размеров отдельных участков земной поверхности для изображения их на картах, планах и профилях. Радиогеодезия занимается измерением расстояний на Земле с помощью радио- и светодальномеров. Космическая геодезия изучает методы определения взаимного положения точек на Земле, размеров и ее вида, параметров ее гравитационного поля на основе наблюдений солнечных затмений и покрытий звезд Луной, фотографирования Луны на фоне звезд, баллонов с источником света, поднимаемых на высоту 20 – 30 км, и искусственных спутников Земли (ИСЗ), а также расстояний до ИСЗ. Спутниковая геодезия рассматривает теорию и методы решения научных и практических задач геодезии по результатам наблюдений ИСЗ и других космических объектов. Картография и топография рассматривают способы изучения земной поверхности, разрабатывают методы и процессы создания и использования различных карт и планов, всесторонне изучают их. Фотограмметрия решает задачи измерений по аэрофото- и космическим снимкам для различных целей, например для получения карт и планов, обмеров зданий и сооружений и т.п. Инженерная геодезия изучает методы геодезического обеспечения, применяемые при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных зданий и сооружений, монтаже технологического оборудования, а также при изучении, освоении и охране природных ресурсов. Несмотря на многообразие инженерных сооружений, при их проектировании и возведении решаются следующие общие задачи: получение геодезических данных при разработке проектов строительства сооружений (инженерно-геодезические изыскания); определение на местности основных осей и границ сооружений в соответствии с проектом строительства (разбивочные работы); обеспечение в процессе строительства геометрических форм и размеров элементов сооружения в соответствии с его проектом, геометрических условий установки и наладки технологического оборудования; определение отклонений геометрической формы и размеров возведенного сооружения от проектных (исполнительные съемки); изучение деформаций (смещений) земной поверхности под сооружением, самого сооружения или его частей под воздействием природных факторов и в результате действия человека. Для решения каждой из указанных задач применительно к разным видам сооружений существуют свои методы, средства и требования к точности их выполнения. Например, при инженерно-геодезических изысканиях в основном производят измерения для составления карт и планов, на которых изображают то, что есть на местности, а при строительстве здания, наоборот, определяют на местности то место, где здание должно располагаться по проекту. Конструкции здания устанавливают на предусмотренные проектом места с погрешностью 5 – 10 мм, детали 2 заводского конвейера – 1 – 2 мм, а оборудование физических лабораторий (ускорителей ядерных частиц) – 0,2 – 0,5 мм. Инженерная геодезия тесно связана с другими геодезическими дисциплинами и использует методы измерений и приборы, предназначенные для общегеодезических целей. В то же время для геодезического обеспечения строительно-монтажных работ, наблюдений за деформациями сооружений и других подобных работ применяют свои приемы и методы измерений, используют специальную измерительную технику, лазерные приборы и автоматизированные системы. В геодезии широко используют достижения физики и математики, астрономии, радиоэлектроники, механики, геоморфологии и др.; при вычерчивании планов и профилей – топографическое черчение, а при обработке и оценке результатов измерений – математические методы и средства вычислительной техники. Роль геодезии в народном хозяйстве и обороне страны. На протяжении сотен лет русская геодезическая наука развивалась самобытным путем и имела огромное научное и практическое значение в самых различных сферах народного хозяйства. Особенно значительна роль геодезии при картографировании страны, изучении ее географии и геологии, при изыскании, проектировании, постройке и эксплуатации железных дорог и других сооружений. С ростом и развитием индустриализации всех видов строительства роль геодезических работ повышается. Исключительно важное значение геодезия имеет в деле обороны страны. Карты используют при разработке стратегических планов и проведении военных операций. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЕОДЕЗИИ Археологические раскопки подтверждают, что истоки геодезических знаний теряются в глубокой древности. Они на протяжении всей истории совершенствовались с развитием производства и потребностями общества. Из Египта геодезические работы перешли в Грецию, потом в Древний Рим, где получили теоретическое обоснование и начало геодезии как науки. К глубокой древности относится и начало геодезических работ в России. Так, в 1792 г. вблизи Тамани была обнаружена мраморная плита, на которой древнерусскими буквами высечена надпись: «В лето 6576 Глеб князь мерил морем по льду от Тмутараканя до Корчева 14 тысяч сажен». Этот памятник свидетельствует о высокой культуре Древней Руси, где в 1068 г. уже проводились геодезические работы, в результате которых через Керченский пролив по льду было определено расстояние между Таманью (Тмутаракань) и Керчью (Корчев). Начало отечественной картографии относится к концу ХV в., когда был составлен «Чертеж московских земель». В 1598 г. была составлена карта всего Московского государства, называемая «Большой чертеж». Первые инструментальные съемки для картографирования России были начаты в 1720 г., позволившие уже в 1734 г. издать первый «Атлас Всероссийской империи». В развитии геодезических и картографических работ в России большая роль принадлежит Географическому департаменту, крупнейшей работой которого явился изданный в 1745 г. первый полный «Атлас Российский». Общий объем геодезических и картографических работ в стране к ХХ в. был значительным, но не соответствовал даже крайне низкому уровню развития производительных сил дореволюционной России. Новая эпоха в развитии геодезии наступила после Великой Октябрьской социалистической революции. 15 марта 1919 г. В.И. Ленин подписал Декрет Совнаркома РСФСР о создании Государственной картографо-геодезической службы – Высшего геодезического управления (ВГУ), теперь это Главное управление геодезии и картографии (ГУГК). Цели и задачи создания ВГУ – изучение территории РСФСР в топографическом отношении, в целях поднятия и развития производительных сил страны, экономии технических сил, денежных средств и времени. Картографо-геодезическая служба СССР, способствующая изучению и развитию производительных сил страны, выполнила огромную работу по обеспечению народного хозяйства топографо-геодезическими и картографическими материалами и геодезическому обслуживанию строительных объектов. За сравнительно короткий срок территория СССР была покрыта плановой и высотной геодезической опорной сетью, которая по своим масштабам, стройности построения, 3 однородности и точности является лучшей в мире; созданы крупнейшие картографические произведения, имеющие мировое значение. В 1940 – 1945 гг. была создана государственная карта СССР в масштабе 1: 1 000 000. К концу 1945 г. завершились работы по созданию топографической карты масштаба 1: 100 000 на всю территорию СССР. Создание такой карты позволило предварительно выбирать трассы вновь строящихся дорог, что позволило значительно экономить средства на геодезические работы при их изысканиях. В настоящее время созданы топографические карты крупного масштаба и высокоточные опорные геодезические сети, обеспечивающие при дальнейшем их сгущении топографические съемки всех масштабов. При выполнении топографо-геодезических работ широко внедряется новая техника и технология, изменяется организация этих работ. При съемке и обработке результатов геодезических измерений используется современная техника (мощные ЭВМ, радио- и светодальномеры, электронные тахеометры и теодолиты, лазерные рулетки, GPS). ФОРМА ЗЕМЛИ Мысль о том, что Земля имеет форму шара, впервые высказал в VI в. до н.э. древнегреческий ученый Пифагор, а доказал это и определил радиус Земли египетский математик и географ Эратосфен (III в. до н.э.). Впоследствии ученые уточнили, что Земля сплюснута у полюсов. Такая фигура в математике называется эллипсоидом вращения, она получается от вращения эллипса вокруг малой оси. В земном эллипсоиде полярная ось меньше экваториальной. Земля не является правильным геометрическим телом – ее поверхность представляет собой сочетание возвышенностей и углублений. Большая часть углублений заполнена водой океанов и морей (71% поверхности Земли). За математическую поверхность Земли принимают ее уровенную поверхность, в каждой точке которой нормаль к ней совпадает с направлением отвесной линии, т.е. направлением силы тяжести. Такого рода поверхность образует поверхность жидкости под влиянием силы тяжести. Уровенных поверхностей, огибающих Землю, можно вообразить бесчисленное множество. Та из них, которая совпадает со средним уровнем океана в момент полного равновесия всей находящейся в нем массы воды, принята за основную, представляющую собой общую математическую фигуру Земли. Небольшой участок земной поверхности практически можно принять за участок горизонтальной плоскости, участок большей величины – за часть сферы, крупный участок следует считать поверхностью сжатого эллипсоида вращения, но в целом уровенная поверхность Земли не совпадает с поверхностью ни одной математической фигуры. Поэтому тело, образованное уровенной поверхностью Земли, получило название геоид (от греч. ge – Земля, eido - вид). Казалось бы, геоид наилучшим образом определяет математическую фигуру Земли, т.к. в каждой точке его поверхности существует одно вполне определенное направление – отвесная линия, составляющая с касательной прямой угол. Однако из-за неравномерного распределения масс внутри Земли поверхность геоида имеет сложную, неправильную форму. Поэтому за математическую фигуру для Земли принимают эллипсоид вращения, наиболее приближенный к геоиду. Земной эллипсоид соответствующим образом мысленно располагают (ориентируют) в теле Земли. 4 Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления системы геодезических координат, называют референц-эллипсоидом. В нашей стране размеры референц-эллипсоида были получены под руководством выдающегося геодезиста Ф.Н. Красовского. Эти размеры утверждены для использования в работах по высшей геодезии и картографии. Референц–эллипсоиду присвоено имя Красовского. Размеры референц-эллипсоида: большая полуось а = 6 378 245 м, малая полуось b = 6 356 863 м, полярное сжатие α = (а - b)/а = 1/298,3. В инженерной геодезии и работах по топографии условно считают, что Земля имеет форму шара, объем которого равен объему земного эллипсоида, радиус шара R = 6 371,11 км. Лекция 2 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ГЕОДЕЗИИ Чтобы определить положение точек на земной поверхности, на ней условно проводят линии – параллели и меридианы, которые образуют систему географических координат. Меридиан – воображаемая линия на поверхности Земли, образованная секущей плоскостью, проходящей через ось РР 1 вращения Земли. Линия, проходящая через северный и южный полюс. Параллель - воображаемая линия на поверхности Земли, образованная секущей плоскостью, перпендикулярной оси вращения Земли. Параллель, образованная плоскостью, проходящей через центр Земли - экватор. Один из меридианов принимают за начальный. Начальным меридианом на поверхности Земли принято считать меридиан, проходящий через центр меридианного зала старейшей в Европе астрономической обсерватории в Гринвиче, вблизи Лондона. Долгота точки (λ) – двугранный угол между плоскостью меридиана, проходящей через эту точку, и плоскостью начального меридиана. Долготы отсчитывают к востоку и западу от начального меридиана в пределах от 0˚ до 180˚. Широта точки (φ) – угол, образованный отвесной линией к земной поверхности в данной точке и плоскостью экватора. Широты отсчитывают от 0˚ до 90˚ к северу и югу от экватора. Долгота λ и широта φ называются географическими координатами точки. Система астрономических координат характеризуется астрономическими широтой и долготой, которые определяют направление отвесной линии в данной точке пространства. Астрономическая широта (φ) - угол, образованный отвесной линией в данной точке и плоскостью, перпендикулярной оси вращения Земли. Астрономическая широта определяется непосредственно из астрономических наблюдений. Астрономическая долгота (λ) - двугранный угол между плоскостями астрономического меридиана данной точки и начального астрономического меридиана. Плоскость астрономического меридиана – плоскость, проходящая через отвесную линию в данной точке и параллельная оси вращения Земли. Принцип нахождения астрономической долготы следующий. Из наблюдений небесных светил определяют время (звездное или среднее) для меридиана данной точки, которое сравнивают с гринвичским временем. Разность между определенным местным и соответствующим ему гринвичским временем численно равна долготе места наблюдения, выраженной в часовой мере угла (1 час соответствует 15˚ долготы). Таким образом, астрономические широта и долгота определяются для каждой точки автономно, т.е. независимо от наблюдений на других точках. Система геодезических координат характеризуется геодезическими широтой и долготой. Геодезическая широта точки (В) – угол, образованный отвесной линией к поверхности земного эллипсоида в данной точке и плоскостью его экватора. Широты отсчитывают от 0˚ до 90˚ к северу и югу от экватора: на север – со знаком «+», на юг – со знаком «-». Геодезическая долгота точки (L) – двугранный угол между плоскостями геодезического меридиана данной точки и начального геодезического меридиана. 5 Долготы отсчитывают к востоку и западу от начального меридиана в пределах от 0˚ до 180˚ с припиской слова «восточная» (+) или «западная» (-). В инженерной практике, как правило, ограничиваются географическими координатами. Но система географических координат сложна для решения задач на сравнительно небольшие расстояния. Предпочтение в этом случае следует отдавать системе плоских прямоугольных геодезических координат, т.е. прямоугольным координатам на плоскости, на которой отражена по определенному математическому закону поверхность земного эллипсоида. Систему образуют две взаимно перпендикулярные линии (оси), лежащие в горизонтальной плоскости, причем ось абсцисс х, как правило, совмещают с меридианом какой либо точки. Точка О – начало координат. Положительное направление оси х – на север от экватора, оси у – на восток от меридиана. Оси абсцисс и ординат образуют координатные четверти I, II, III, IV, которые нумеруют по ходу часовой стрелки (северо-восточная четверть считается первой). В геодезии при выполнении съемочных и разбивочных работ, носящих местный (локальный) характер, выбирают местную систему прямоугольных координат с целесообразно выбранными началом и направлением осей. При производстве работ на значительной территории выбор системы координат согласуется с организацией, выдавшей разрешение на выполнение этих работ. Для полной характеристики положения точки на поверхности Земли необходимо знать еще третью координату – высоту. Высотой точки называется расстояние по отвесному направлению от этой точки до уровенной поверхности. Числовое значение высоты точки называется ее отметкой. Высоты бывают абсолютные, условные и относительные. Абсолютные высоты (Н А ) отсчитывают от исходной уровенной поверхности – среднего уровня океана или моря (в России это нуль Кронштадтского футштока – горизонтальная черта на медной пластине, прикрепленной к устою моста через обводной канал в г. Кронштадте). Условной высотой называется отвесное расстояние от точки земной поверхности до условной уровенной поверхности – любой точки, принятой за исходную (нулевую). Относительной высотой или превышением h точки называется высота ее над другой точкой земной поверхности. ИЗОБРАЖЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПЛОСКОСТИ (ПЛАН, КАРТА, ПРОФИЛЬ) Поверхность Земли изображают на плоскости в виде планов, карт, профилей. При составлении планов сферическую поверхность Земли проецируют на плоскость и полученное изображение уменьшают до требуемого размера. В геодезии применяют метод ортогонального проецирования. Сущность его состоит в том, что точки местности переносят на горизонтальную плоскость по отвесным линиям, параллельным друг другу и перпендикулярным горизонтальной плоскости. Полученное на плоскости изображение уменьшают с сохранением подобия фигур. План местности – это уменьшенное подобное изображение горизонтальной проекции участка поверхности Земли с находящимися на ней объектами. Однако план нельзя составить на очень большую территорию, т.к. сферическая поверхность Земли не может быть развернута в плоскость без складок или разрывов. Карта – это изображение земной поверхности на плоскости, уменьшенное и искаженное вследствие кривизны поверхности. Таким образом, план и карта – это уменьшенные изображения земной поверхности на плоскости. Различие между ними состоит в том, что при составлении карты проецирование производят с искажениями поверхности за счет влияния кривизны Земли, на плане изображение получают практически без искажения. Профилем местности называется уменьшенное изображение вертикального разреза земной поверхности по заданному направлению. Разрез местности представляет собой кривую линию. На профиле она строится в виде ломаной линии. Уровенную поверхность изображают прямой линией. Для большей наглядности вертикальные отрезки (высоты, превышения) делают крупнее, чем горизонтальные (расстояния между точками). 6 Лекция 3 МАСШТАБЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПЛОСКОСТИ Масштаб – это отношение длины линии (s) на чертеже, плане, карте к длине горизонтального проложения (S) этой линии в натуре, т.е. s : S. Масштаб обозначают либо дробью (числовой), либо в виде графических изображений. Числовой масштаб (1/М) представляет собой правильную дробь, у которой числитель равен 1, а знаменатель (М) показывает во сколько раз уменьшены линии местности при изображении их на плане. Чем больше знаменатель числового масштаба, тем больше степень уменьшения, т.е. тем мельче масштаб. Из двух числовых масштабов более крупный тот, знаменатель которого меньше. Используя значение 1/М числового масштаба и формулы (1, 2) можно определить длину линии на плане и на местности соответственно. M S s , (1) sM S . (2) Пример 1: Длина отрезка S = 100 м. Найти величину изображения этого отрезка на карте масштаба 1: 10 000. Ответ: 1 см. Пример 2: На плане масштаба 1: 500 величина отрезка между двумя точками s = 10,6 м. Определить длину S этой линии на местности. Ответ: 53 м. При решении задач по карте или плану с помощью числового масштаба приходится выполнять много вычислений. Чтобы избежать этого, используют графические масштабы (линейные и поперечные). Линейный масштаб представляет собой шкалу с делениями, соответствующими данному числовому масштабу. Для построения линейного масштаба на прямой линии откладывают несколько раз расстояние, называемое основанием масштаба. Длину основания принимают равной 1…2,5 см. Первое основание делят на 10 равных частей и на правом конце его пишут нуль, а на левом – то число метров или километров, которому на местности соответствует в данном масштабе основание. Вправо от нуля над каждым делением надписывают значения соответствующих расстояний на местности. Поперечный масштаб применяют для измерений и построений повышенной точности. Поперечный масштаб гравируют на металлических пластинах, линейках или транспортирах. Для заданного числового масштаба он может быть построен и на чертеже. Порядок построения поперечного масштаба. На прямой линии, как и при построении линейного масштаба, откладывают несколько раз основание масштаба и первый отрезок делят на 10 частей. Аналогично подписывают деления. Из каждой точки подписанного деления восстанавливают перпендикуляры, на которых откладывают 10 отрезков, равных десятой доле основания. Через точки, полученные на перпендикулярах, проводят прямые линии, параллельные основанию. Верхнюю линию первого основания также делят на 10 равных частей. Полученные точки верхних и нижних делений первого основания соединяют трансверсалями. Расстояния между смежными трансверсалями составляют десятую долю основания, а между нулевой вертикальной линией и смежной с ней трансверсалью – от одной сотой доли до десятой. Применение любого масштаба не может обеспечить точности выше определенного предела, зависящего от свойств человеческого глаза. Невооруженным глазом с расстояния нормального зрения (25 см) можно оценить на плане размер, не превосходящий 0,1 мм (детали объектов местности меньше 0,1 мм изобразить на плане нельзя). Точность масштаба (предельная) характеризуется горизонтальным расстоянием на местности, соответствующим на плане 0,1 мм. Графическая точность масштаба характеризуется горизонтальным расстоянием на местности, соответствующим на плане 0,2 мм. Точностью масштаба определяется степень обобщения (генерализации) подробностей, которые могут быть изображены на плане (карте) заданного масштаба. 7 Для того, чтобы акцентировать внимание на каких-то элементах чертежа, карты, плана, эти элементы изображают внемасштабно, т.е. с другой степенью уменьшения или увеличения. На схематических планах городов увеличенными в произвольном масштабе изображают исторические, культурные памятники, театры, вокзалы; на мелкомасштабных картах – кружки городов, толщины рек; на чертежах – условные обозначения, стыковые швы, маркировку изделия. По такому внемасштабному изображению нельзя производить никаких измерений. Разномасштабно, т.е. в определенном масштабе, но отличном от масштаба данного чертежа, показывают узлы, детали на строительных и машиностроительных чертежах; при изображении плана дороги, проходящей по однообразной местности, выделяют в крупном масштабе только места пересечения дорогой рек, населенных пунктов, дорог иного назначения и т.п. На одном и том же плане, чертеже, схеме изображения могут быть даны в разных масштабах, а в некоторых случая и в натуральную величину. УСЛОВНЫЕ ЗНАКИ НА ПЛАНАХ, КАРТАХ На топографических картах и планах изображают разные объекты местности: контуры населенных пунктов, сады, огороды, озера, реки, дороги, ЛЭП и т.д. Совокупность этих объектов называется ситуацией. Ситуацию изображают условными знаками. Условные знаки обязательные для всех учреждений и организаций, составляющих топографические планы и карты, устанавливаются государственной службой геодезии и картографии Республики Казахстан и издаются либо отдельно для каждого масштаба, либо для группы масштабов. Хотя количество условных знаков велико (около 400), они легко запоминаются, т.к. внешне напоминают вид и характер изображаемых объектов. Условные знаки делят на 5 групп: площадные, линейные, внемасштабные, пояснительные и специальные. Площадные условные знаки применяют для заполнения площадей объектов (например, пашни, леса, озера, луга); они состоят из знака границы объекта (точечный пунктир или тонкая сплошная линия) и заполняющих его изображений или условной окраски. Линейными условными знаками показывают объекты линейного характера (дороги, реки, ЛЭП, линии связи), длина которых выражается в данном масштабе. На условных изображениях приводятся различные характеристики объектов. Внемасштабные условные знаки служат для изображения объектов, размеры которых не выражаются в данном масштабе карты или плана (мосты, километровые столбы, колодцы, геодезические пункты). Внемасштабные условные знаки определяют местоположение объектов, но по ним нельзя судить об их размерах. Пояснительные условные знаки представляют собой цифровые и буквенные надписи, характеризующие объекты, например глубину и скорость течения рек, грузоподъемность и ширину мостов, породу леса, среднюю высоту и толщину деревьев, ширину шоссейных дорог. Эти знаки проставляют на основных площадных, линейных, внемасштабных. Специальные условные знаки устанавливают соответствующие ведомства отраслей народного хозяйства; их применяют для составления специализированных карт и планов этой отрасли, например, знаки для маркшейдерских планов нефтегазовых месторождений – нефтепромысловые сооружения и установки, скважины, промысловые трубопроводы. Чтобы придать карте или плану большую наглядность, для изображения различных элементов используют цвета: для рек, озер, каналов, заболоченных участков – синий; лесов и садов – зеленый; шоссейных дорог – красный; улучшенных грунтовых дорог – оранжевый. Всю остальную ситуацию делают черным цветом. На изыскательских планах цветными делают подземные коммуникации (трубопроводы, кабели). НАЗНАЧЕНИЕ КАРТ, ИХ МАСШТАБЫ Географические карты, отображающие Землю в целом или ее отдельные части, по содержанию подразделяют на общегеографические, имеющие универсальное назначение (на них показывают гидрографию, рельеф, населенные пункты, дорожную сеть, растительный покров и 8 т.п.) и |