Савчук підручник
.pdfРозділ 3. Розв'язування геодезичних задач
3.7.6. Алгоритм та числовий приклад розв'язування прямої та оберненої геодезичних задач в просторі.
a, const, |
|
e2 2 2 , |
|
||||||||||
|
|
|
|
а) алгоритм |
|
|
|
|
|||||
|
Пряма геодезична задача |
|
|||||||||||
|
N1 |
|
|
|
a |
|
|
. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
e2 sin2 B |
|
||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
X1 (N1 H1)cosB1 cosL1, |
||||||||||||
|
Y1 |
(N1 |
H1)cosB1 sin L1, |
|
|||||||||
|
Z |
1 |
(N |
1 |
H |
1 |
e2 N |
1 |
)sin B . |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
x'2 Dsinz12 cos A12 ,y'2 Dsinz12 sin A12 ,
z'2 Dcosz12
|
|
sin B1 cosL1 |
-sin L1 |
|
cosB1 cosL1 |
|
||||
|
A1 |
sin B1 sin L1 |
|
cosL1 |
|
cosB1 sin L1 |
. |
|||
|
|
cosB1 |
|
|
|
0 |
|
sinB1 |
|
|
|
|
|
X |
|
X |
|
x' |
|||
|
|
|
|
|
|
|
A1 |
|
|
|
|
|
|
Y |
|
Y |
y' , |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z |
2 |
Z 1 |
z' 2 |
|
tgL |
|
|
Y2 |
|
, |
|
2 |
X |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
R |
|
X |
2 |
Y 2 |
|||
|
|
|
|
2 |
|
2 |
172
Розділ 3. Розв'язування геодезичних задач
|
|
|
|
c |
|
|
|
1 |
|
|
|
, b |
|
|
|
ae2 |
, |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
e |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
R 1 e2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tgB2i |
|
Z2 |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
Z |
2 |
|
|
|
|
btgB i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
tgB |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
, i 12, |
...,n. |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
tg2 B2i |
||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
R |
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
Z2 |
|
(1 e2 )N |
|
. |
|
|
||||||||||||||
|
|
2 |
|
sin B |
2 |
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обернена геодезична задача |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
Ni |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
, |
|
i 12,. |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
e2 sin2 Bi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
Xi |
(Ni |
|
Hi )cosBi cosLi |
, |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
Yi (Ni |
Hi )cosBi |
sin Li , |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Zi |
(Ni |
Hi e2 Ni )sin Bi . |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
sinBi cosLi |
-sin Bi |
sin Li |
|
cosBi |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
Ai ' |
sin Li |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosLi |
|
|
0 |
. |
||||||||||||
|
|
|
|
cosBicosLi |
|
|
cosBi sin Li |
sin Bi |
|
|
x' |
|
|
|
A'j |
|
y' |
z' j j 21,.
XYiZi
|
X |
|
i |
Yj |
j |
|
, |
|
|
Zj |
|
|
|
|
|
i 12,. |
173
Розділ 3. Розв'язування геодезичних задач
tgA |
|
y'j |
, |
|
|
|
|
|
|
|||
x' |
|
|
|
|
|
|
||||||
ij |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
ctgzij |
|
|
|
|
z'j |
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
x'j 2 y'j |
2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
D |
|
|
x'12 y'12 z'12 . |
x'22 y'22 z'22 , |
||||||||
i 12,; |
|
|
|
|
j 21,. |
|
|
174
Розділ 3. Розв'язування геодезичних задач
б) числовий приклад
Для еліпсоїда Красовського:
a 6378245м; e2 0.006693421623.
Вихідні дані:
Пряма геодезична задача
B1=49o50’11.4596 , L1=24o00’17.1502 , H1=385.471 м, D=22488.169 м, Z12=89o18’16.2 , A12=191o49’06.17 .
Позначення
X1
Y1
Z1
N1
A1
x'21 y'21 z'21
X2
Y2
Z2
B21 B22 B23 B24 B25
B2
L2
H2
Числові значення
3765581.0974
1676919.8946
4851460.8641
6390748.0870
-0.698112211 -0.406812600 0.589188297
-0.310889136 0.913511636 0.262382233
0.644970763 0 0.764207246
-22009.8372 -4605.4640 272.9719
3782980.8262
1679626.9919
4837473.7697
49026’55.23035
49 38 21.75402
49 38 19.07969
49 38 19.09012
49 38 19.09011
49o 38’ 19.0901
23o 56’ 27.6445
698.106 м
175
Розділ 3. Розв'язування геодезичних задач
Обернена геодезична задача |
|
|
B1=49o50’11.4596”, |
L1=24o00’17.1502”, |
H1=385.471 м, |
B2=49o38’19.0901”, |
L2=23o56’27.6445”, |
H2=698.106 м. |
Позначення
N1
X1
Y1
Z1
A1
N2
X2
Y2
Z2
A2
x'12 y'12 z'12 x'21 y'21 z'21
D
z12 z21
A12 A21
Числові значення
6390748.0870
3765581.0974
1676919.8946
4851460.8641
-0.698112211 -0.310889136 0.644970763
-0.406812600 0.913511636 |
0 |
0.589188297 0.262382233 0.764207246
6390674.9433
3782980.8262
1679626.9919
4837473.7697
-0.696417670-0.309206409 0.647606227
-0.405795907 0.913963720 |
0 |
0.591888597 0.262795956 0.761975179
22012.6598
4586.5499 -352.2965
-22009.8372 -4605.4640 272.9719
22488.169 м
89o18’16.2
90o53’51.4
191o49’06.17
11o46’11.04
176
Розділ 3. Розв'язування геодезичних задач
177
РОЗДІЛ 4 ПЛОСКІ ПРЯМОКУТНІ КООРДИНАТИ
ГАУССА-КРЮГЕРА
4.1. Плоскі координати в геодезії.
Система координат і математична обробка матеріалів обмежених за територією геодезичних мереж, що прокладаються для геодезичного забезпечення інженерно-технічних,
сільськогосподарських чи будь-яких інших видів робіт, повинні бути |
найбільш простими. |
Для інженерно-геодезичних робіт не є доцільним застосування |
системи геодезичних |
координат, не зважаючи на те, що вона є єдиною для всієї поверхні земного еліпсоїда, поскільки її координати отримуються шляхом досить складних обчислень і до того в дуговій мірі, а лінійні значення дугових одиниць змінюються зі зміною широти місця. Не кращий варіант є застосування для вказаних цілей просторових прямокутних координат. Найбільш простою є прямокутна система координат на площині, яка, однак, з поверхнею земного еліпсоїда безпосередньо не зв’язана. Як відомо, тільки досить незначні ділянки земної поверхні (радіусом 5-15 км) можна приймати за площину, а для більших територій застосування плоских прямокутних координат можливе лише через проектування частин поверхні земного еліпсоїда на площину. Тому вибір проекції для перенесення геодезичних побудов з еліпсоїда на площину становить теоретично і практично важливу задачу для геодезії.
Проекції земного еліпсоїда на площині, що приймаються для перенесення і опрацювання результатів геодезичних вимірювань, називаються г е о д е з и ч н и м и п р о е к ц і я м и.
4.2. Загальні відомості про геодезичні проекції.
На відміну від картографічних проекцій, при яких головна задача полягає в зображенні земної поверхні на папері (площині) в виді карт, геодезичні проекції дають методи точного перенесення елементів поверхні еліпсоїда (ліній, кутів) на площину, тобто між поверхнею еліпсоїда та площиною встановлюється такого роду відповідність, коли кожній точці поверхні еліпсоїда відповідає одна і тільки одна точка площини, причому при неперервному русі точки по поверхні еліпсоїда відповідна їй точка на площині переміщується теж неперервно.
Загальні формули цього роду відповідності між поверхнею еліпсоїда та площиною або загальні формули геодезичних проекцій можуть бути написані в наступному виді
x f1(B,L), |
y f2(B,L), |
(4.1) |
де B і L- геодезичні координати, широта і довгота, що визначають положення точки на поверхні еліпсоїда, x та y- декартові (прямокутні) координати точки на площині, а f1 і f2 -
довільні функції, неперервні в області l (l L Lo - довгота, яка відрахована від деякого меридіана ( Lo ), прийнятого за початковий).
Очевидно, що формули (4.1) є загальними формулами переходу від геодезичних координат до прямокутних плоских. На практиці до функцій f1 і f2 ставлять вимоги, щоб
при будь-яких значеннях B і L в заданій області поверхні еліпсоїда l мати цілком визначені як за знаком так і за величиною числа для xта для y.
Поверхня еліпсоїда не відноситься до числа тих поверхонь, які зображуються на площині без спотворень. Тому і проекція еліпсоїда на площину, що описується рівняннями
115
(4.1) буде мати спотворення кутів та ліній. Існують проекції, що зберігають кути, але спотворюють довжини ліній і площі (фігури), проекції, що зберігають площі, але спотворюють довжини ліній і кути, і проекції, що спотворюють і довжини ліній, і кути, і
площі. Розподіл спотворень залежить від виду функцій |
f1 і f2 . Величина спотворень |
визначається розмірами тієї області поверхні еліпсоїда l, |
яка зображується на площині, |
причому в деяких випадках спотворення можуть бути і дуже значними. Поскільки мова йде про геодезичні проекції, то такі випадки не розглядаються.
Геодезичні побудови, як правило, створюються шляхом виміру кутів геометричних фігур, а лінійні виміри виконуються, наприклад, в тріангуляції тільки щоб задати масштаб мережі.
Якщо координати опорних геодезичних пунктів задані в проекції, то графічні матеріали знімань виходять теж в проекції і тільки їх числові дані в виді безпосередньо виміряних довжин сторін і кутів знімальних ходів треба виправляти за перехід до проекції.
Викладеним і обгрунтовується умова: кути (при перенесенні їх з еліпсоїда на площину проекції) повинні зберігати свої величини, а враховуватись повинні лише спотворення довжин ліній.
Такі проекції, в яких відсутні кутові спотворення, називаються конформними (рівнокутними).
Неминучі спотворення фігур при переході з еліпсоїда на площину в будь-якій проекції будуть зростати із збільшенням розмірів частини поверхні еліпсоїда, що зображується на площині. В геодезичних роботах, що проводяться переважно на значних територіях і з високою точністю, виникає необхідність враховувати ці спотворення.
Відсутність кутових спотворень не є головною перевагою конформних проекцій перед неконформними, адже геодезичні лінії еліпсоїда, що зображуються на площині, мають вигляд кривих, які в практиці геодезичних робіт використати досить трудно. Тому зображення геодезичної лінії на площині замінюють прямою лінією - хордою, яка з’єднує кінцеві точки цього зображення. Звідси виникає додаткова задача в конформних проекціях - визначення кута між зображенням геодезичної лінії та хорди, який називають поправкою за кривину зображення геодезичної лінії на площині.
Границя відношення довжини відрізка S на площині до довжини відповідного йому відрізка s на еліпсоїді, коли довжина останнього стрімко наближається до нуля, називається масштабом зображення. Його можна визначити як відношення нескінчено малого переміщення точки на еліпсоїді до відповідного переміщення точки на площині (див. рис. 4.1):
m dS . |
(4.2) |
ds |
|
еліпсоїд |
площина |
B+dB |
x+dx=const |
|
|
ds |
dS |
|
|
|
x=const |
y=const |
y+dy=const |
B |
|
LL+dL
116
Рис.4.1
Масштаб m, в загальному випадку, буде величиною, яка змінюється як при переході від однієї точки до другої, так і при зміні напряму в одній і тій же точці. Іншими словами, в загальному випадку масштаб m буде функцією положення точки, тобто її координат і азимута. Поскільки в конформних проекціях зберігаються подібність нескінченно малих фігур, то масштаб є постійним в нескінченно малій області навколо точки. Це означає, що в конформних проекціях масштаб зображення в кожній даній точці не залежить від напряму лінійного елемента.
Із загального числа конформних проекцій ми розглянемо детально тільки проекцію Гаусса-Крюгера, яка найбільш широко використовується в практиці геодезичних і топографічних робіт багатьох країн.
Проекція Гаусса-Крюгера, яка отримала широке розповсюдження на початку 20-х років ХХ ст., була розроблена і впроваджена в практику Гауссом ще в 1820-30 р.р. при зніманні території ганноверського герцогства. Проте Гаусс цю свою роботу не опублікував; лише в 1866 р. теорію проекції Гаусса опублікував Шрейбер. В 1912 і 1919 р.р. австрійський геодезист Крюгер дав детальний виклад теорії проекції Гаусса з розробкою робочих формул. До речі, тодішня Австро-Угорщина була першою країною, яка запровадила проекцію Гаусса, і яку пізніше стали називати проекцією Гаусса-Крюгера.
Універсальна поперечна проекція Меркатора UTM (Universal Transverse Mercator projection), яка має застосування, головним чином, в західних (англомовних) країнах, особливо в США - просто інша версія проекції Гаусса-Крюгера; відрізняється від неї практично лише тим, що масштаб зображення вздовж осьового меридіана приймають рівним не одиниці, а 0.9996.
4.3. Основні рівняння конформної проекції Гаусса.
Як вже було зазначено, в теорії геодезичних проекцій основним є встановлення взаємнооднозначної точкової відповідності між поверхнями земного еліпсоїда і площини таким чином, щоб відповідні кути геометричних фігур еліпсоїда і площини були рівними, а сторони пропорційними. Вказана відповідність визначається законом перетворення заданих геодезичних координат B,L в координати x,y на площині, чи навпаки. Загальні рівняння точкової відповідності можуть бути виражені функціональними залежностями (4.1).
При конформному зображені функції (4.1) повинні задовільняти умовам конформності. Розглянемо коротко ці умови.
Нехай точка А’ є зображенням на площині деякої точки на еліпсоїді А (рис.4.2). Дуги A’B’ і A’C’ - зображення диференціала дуги меридіана та дуги паралелі відповідно.
Кут є кутом повороту конформного зображення як меридіана, так і паралелі
відносно прямолінійних координатних ліній на площині. Цей кут носить назву з б л и ж е н н я м е р и д і а н і в на площині.
Із подібних трикутників A’B’B” і A’C’C” можемо записати
A'B" |
|
A'C" |
cos , |
||
A'B' |
A'C' |
||||
|
|
(І) |
|||
B'B" |
|
|
C'C" |
||
|
|
sin . |
|||
A'B' |
|
AC |
|||
|
|
|
Згідно формули (4.2) для масштабу m отримаємо
117
m |
A' B' |
|
A'C' |
|
, |
|
|
|
MdB |
|
N cos BdL |
|
|
||
звідки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A'B' mMdB, |
(ІІ) |
||||
|
|
A'C' mN cosBdl. |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
x |
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
y |
A |
|
|
|
B |
|
|
|
B |
|
|
|
|
|
ts |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
oc |
|
|
|
C |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x=const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
A |
|
B=const |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.4.2
Для зображення диференціалів дуг меридіана і паралелі напишемо повні диференціали плоских прямокутних координат на основі рівнянь (4.1)
dx Bx dB Lx dL, dy By dB Ly dL.
Застосувавши ці рівняння для зображення диференціала дуги меридіана L const , отримаємо
dxB A'B" x dB,
B |
(ІІІ) |
||
|
y |
|
|
dyB B'B" |
dB. |
|
|
|
|
||
|
B |
|
Аналогічно для зображення диференціала дуги паралелі B const , отримаємо
118