Основные сведения о геодезии. Определение положения точек на земной поверхности

Лекция 1. Основные сведения о геодезии. Определение  положения точек на земной поверхности

1.1. Предмет геодезии и её связь с другими науками

1.2. Краткий исторический очерк развития  российской геодезии

1.3. Задачи инженерной геодезии

1.4. Понятие о форме и размерах  Земли

1.5. Проектирование земной поверхности.  Системы координат

1.6. Вопросы для самоконтроля

1.1. Предмет геодезии и её связь с другими науками

«Геодезия» – слово греческого происхождения, её название образовано из двух греческих слов "gê " – "гео" – "земля" и "daizo" – "дайдзо" – "разделяю", что в переводе означает «Землеразделение». Такое буквальное определение геодезии говорит только лишь о том, что она является одной из древнейших наук о Земле. Возникла эта наука с началом земледелия. В процессе исторического развития содержание каждой науки непрерывно меняется, в связи с чем неизбежен разрыв между названием науки и её содержанием. Так, например, «геометрия», буквально определяется как «землеизмерение». Однако в наше время измерения на Земле не являются предметом геометрии. Данной проблемой занимается геодезия – наука об измерениях на земной поверхности и в околоземном пространстве, а также о вычислениях и графических построениях, проводимых для:

• определения фигуры и размеров Земли как планеты в целом;
• исследования движения земной коры;
• изображения земной поверхности и отдельных её частей в виде планов, карт и профилей (вертикальных разрезов);
• решения разнообразных научных и практических задач по созданию и эксплуатации искусственных сооружений на земной поверхности и в околоземном пространстве;
• создания геодезических опорных сетей как основы для выполнения вышеперечисленных задач.

Таким образом, предметом  геодезии является геометрическое изучение физической поверхности Земли и  происходящих с ней изменений.

Поверхность Земли (рис.1) характеризуется  многообразием форм. На ней находятся  всевозможные объекты естественного  и искусственного происхождения, геометрическое моделирование которых имеет  для человека исключительно важное значение.

Рис. 1. Физическая поверхность  Земли 

Проектирование, строительство  и эксплуатация инженерных сооружений, планировка, озеленение и благоустройство  населенных мест, изучение и добыча полезных ископаемых, сельскохозяйственное и лесное производство, обеспечение  обороноспособности государств – во всех этих и многих других сферах жизнедеятельности  человека приходиться решать задачи геометрического характера, связанные  с поверхностью Земли. Их решение  основывается на методе измерения различных  величин. Данный метод является неотъемлемой частью геодезии.

В геодезии широко используют достижения астрономии, физики, математики, механики, электроники, геоморфологии  и других наук.

Астрономия, изучающая Землю  как одно из небесных тел, влияющих на движение других небесных тел, обеспечивает геодезию необходимыми исходными данными.

Для производства измерений  на земной поверхности используют различные  приборы и инструменты, в создании которых применяют научные достижения физики, химии, механики, оптики, электроники  и других наук.

При измерении различных  величин практически невозможно получить их истинное значение. В связи  с этим возникает необходимость  определения их вероятнейшего значения, т.е. наиболее близкого к истинному. С этой целью в геодезии применяется математическая обработка результатов измерений, в которой используются достижения высшей математики, вычислительной техники, математической статистики, теории вероятностей, теории ошибок, теории информации.

Для оформления результатов  измерений и вычислений в геодезии применяется метод графического представления данных. Для его  использования необходимо знание приемов  топографического черчения С помощью данного метода составляются чертежи, являющиеся продуктом производства геодезических работ и характеризующиеся сложной символикой, большой точностью и высоким качеством исполнения.

Тесную связь геодезия имеет также с географией, геологией, в особенности с геоморфологией.

География изучает окружающие человеческое общество природные условия, размещения производства и условия его развития. Знание географии обеспечивает правильную трактовку элементов ландшафта, который составляют: рельеф, естественный покров земной поверхности (растительность, почвы, моря, озера, реки и т. д.) и результаты деятельности человека (населенные пункты, дороги, средства связи, предприятия и т. д.).

Геология изучает строение, минеральный состав и развитие Земли. Геоморфология – рельеф земной поверхности и закономерности его изменения.

Применение фотоснимков  в геодезии требует знания фотографии.

В настоящее время в  связи с широким использованием цифрового и электронного картографирования, геоинформационных и глобальных навигационных систем, дистанционного зондирования Земли аэрокосмическими средствами всё большее значение для геодезии приобретают достижения информатики, автоматики и электроники.

В процессе своего развития геодезия разделилась на ряд научных  дисциплин:

• высшая геодезия;
• топография;
• инженерная геодезия;
• картография;
• фотограмметрия;
• радиогеодезия;
• космическая геодезия;
• геодезическое инструментоведение.

Высшая геодезия изучает форму и размеры Земли, движение её коры и определяет:

• вид и размеры Земли (как планеты);
• внешнее гравитационное поле Земли (значение и направление силы тяжести в земном пространстве и на поверхности);
• взаимное расположение значительно удалённых друг от друга геодезических пунктов;
• точность изображения пунктов на плоскости в проекции с учётом искажений из-за кривизны земной поверхности.

Топография изучает методы изображения участков земной поверхности по материалам съёмочных работ и создания на их основе топографических карт и планов.

Инженерная геодезия изучает методы и способы геодезического обеспечения при разработке проектов, строительстве и эксплуатации разнообразных сооружений, а также при освоении и охране природных ресурсов.

Космическая геодезия рассматривает теорию и методы решения научных и практических задач на земной поверхности по наблюдениям небесных тел (Луна, Солнце, ИСЗ) и по наблюдениям Земли из космоса. Космическая геодезия включает в себя глобальные навигационные системы, являющиеся основой применяемых в настоящее время координатных систем, и системы космического дистанционного зондирования многоцелевого назначения, используемые для мониторинга поверхности Земли.

Предметом изучения картографии  являются методы и способы отображения  поверхности Земли и протекающих  на ней процессов в виде различных  образно-знаковых моделей, в том  числе цифровых и электронных  карт.

Фотограмметрия решает задачи измерений по аэрофото- и космическим снимкам для различных целей: создания карт и планов, проектирования и строительства сооружений, обмеров и определения площадей застроек, лесных массивов и т. п.

 

1.2. Краткий исторический  очерк развития российской геодезии

Геодезия как наука  формировалась и развивалась  тысячелетиями. Древние памятники, возведенные в Египте и Китае, свидетельствуют о том, что человечество имело представление об измерениях на поверхности земли за много  веков до нашей эры. Приемы измерения  на земной поверхности были известны и в древней Греции, где они  получили теоретическое обоснование  и положили начало геометрии. Геодезия и геометрия долго взаимно  дополняли и развивали одна другую.

В России первые геодезические  работы, зафиксированные документально, выполнялись в ХI веке при измерении князем Глебом ширины Керченского пролива между Керчью и Таманью. Начало картографии было положено составлением в ХI веке карты всего Московского государства.

Интенсивное развитие геодезии в России связано с именем Петра I. В 1745 г. был издан «Первый атлас  России», созданный по материалам планомерной  инструментальной топографической  съемки всего государства, начатой  по указу Петра I в 1720 г. Первые в России астрономо-геодезические и картографические работы возглавил И.К. Кирилов.

В 1779 г. по указу Екатерины II была открыта землемерная школа, которая в 1819 была преобразована  в Константиновское землемерное училище, а в 1835 – в Константиновский межевой институт, ныне – крупное высшее учебное заведение по подготовке геодезистов и картографов МИИГАиК – Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии. В 1809 г. Санкт-Петербурге был учрежден институт Корпуса инженеров путей сообщения, в 1822 г. – корпус военных топографов, выполнявший впоследствии большую часть топографо-геодезических работ в стране.

В 1816 под руководством русского военного геодезиста К. И. Теннера и астронома В. Я. Струве в западных пограничных губерниях России были начаты большие астрономо-геодезические работы, которые в 1855 завершились градусным измерением огромной (более 25° по широте) дуги меридиана, простирающейся по меридиану 30° от устья Дуная до берегов Северного Ледовитого океана.

На развитие геодезии в  России большое влияние оказали  начавшиеся в XIX веке изыскания и  строительство железных дорог. На Кавказе  были выполнены первые опытные наземные фотосъемки, а в 1898 г. инженер П.И. Шуров применил ее при изысканиях линии, соединяющей Маньчжурскую и Забайкальскую железные дороги. Инженер Р.Ю. Тилле впервые выдвинул идею применения аэрофотосъемки при железнодорожных изысканиях. В 1908 – 1909 г.г. он опубликовал трехтомный труд «Фотография в современном развитии», сыгравший огромную роль в развитии аэрофотосъемки в России.

В 1928 советский геодезист  Ф. Н. Красовский разработал стройную и  научно обоснованную схему и программу  построения опорной геодезической  сети, предусматривающую создание астрономо-геодезической  сети на всей территории СССР. В ходе построения этой сети были усовершенствованы  теория, методы и инструменты астрономических  определений и геодезических  измерений.

В 1940 г. Ф.Н. Красовский и А. А. Изотов определили новые размеры  земного эллипсоида, которые по настоящее  время используются для картографо-геодезических  работ в России и ряде других стран.

1.3. Задачи инженерной  геодезии

Основными задачами инженерной геодезии при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных  сооружений являются:

• получение геодезических данных (геодезические измерения) 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 действий человека.

Инженерно-геодезические  изыскания проводят для создания карт, планов, цифровых моделей местности, на которых по результатам наземных и аэрокосмических съемок изображают то, что находится на местности. Созданную  топографо-геодезическую основу используют для проектирования сооружения –  разработки его проекта.

При строительстве с помощью  геодезических измерений выполняют  обратное геометрическое преобразование – переносят проект сооружения на местность, т.е. определяют на местности  то место, где сооружение должно располагаться  по проекту. Данный процесс называют геодезическим сопровождением строительства.

Для разных видов сооружений применяют различные требования к точности геодезического сопровождения. Точность выполнения работ при установке  конструкций здания на предусмотренные  проектом места должна быть в пределах 5…10 мм, деталей заводского конвейера  – 1...2 мм, оборудования физических лабораторий  для ускорителей ядерных частиц – 0,2...0,5 мм.

По окончании строительства  объекта и в период его эксплуатации возникает задача периодического контроля за состоянием возведенного сооружения, называемая мониторингом состояния сооружения. Данный мониторинг выполняется специализированными изыскательскими и геодезическими организациями как наземными, так и аэрокосмическими методами.

По виду выполняемых работ  инженерная геодезия подразделяется на:

• наземную;
• подземную (маркшейдерское дело);
• воздушную;
• подводную.

 

1.4. Понятие о форме и размерах  Земли

• 1.4.1. Математическая поверхность Земли
• 1.4.2. Физическая поверхность Земли
• 1.4. Понятие о форме и размерах Земли
• В геодезии для обозначения формы земной поверхности используют термин «фигура Земли».
• Знание фигуры и размеров Земли необходимо во многих областях и прежде всего для определения положения объектов на земной поверхности и правильного её изображения в виде карт, планов и цифровых моделей местности.
• Физическая поверхность Земли состоит из подводной (70,8 %) и надводной (29,2 %) частей. Подводная поверхность включает в себя систему срединно-океанических хребтов, подводные вулканы, океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины. Надводная часть земной поверхности также характеризуется многообразием форм. С течением времени поверхность Земли из-за тектонических процессов и эрозии постоянно изменяется.