Українська державна будівельна корпорація «УКРБУД»
Київський коледж будівництва, архітектури та дизайну
Конспект лекцій з інженерної геодезії
для студентів спеціальності 5.06010101 «Будівництво та експлуатація будівель та споруд »
Склав викладач: Громова О.А.
Київ 2011
Розділ 1. Основи геодезії
Тема 1. Загальні відомості про геодезію
Предмет та задачі геодезії та її місце на будівництві
Слово "геодезія" утворене з грецьких слів "ge" - земля і "dazomai" - розділяю, ділю на частини; якщо перевести його дослівно, то вийде "земле поділ». Ця назва відповідала вмісту геодезії за часів її зародження і початкового розвитку. Так, в Єгипті задовго до нашої ери вимірювалися розміри земельних ділянок, будувалися зрошувальні системи; все це виконувалося за участю геодезистів. З розвитком людського суспільства, підвищенням ролі науки і техніки розширювався вміст геодезії, ускладнювалися завдання, які ставило перед нею життя.
В даний час геодезія - це наука про методи визначення фігури і розмірів Землі і зображення її поверхні на картах і планах, а також про способи проведення різних вимірів на поверхні Землі (на суші і акваторіях), під землею, в навколоземному просторі і на інших планетах.
Ускладнення і розвиток геодезії привело до розділення її на декілька наукових дисциплін:
Вища геодезія вивчає фігуру Землі, її розміри і гравітаційне поле, забезпечує поширення прийнятих систем координат в межах держави, континенту або всієї поверхні Землі, займається дослідженням давніх і сучасних рухів земної кори, а також вивчає фігуру, розміри і гравітаційне поле інших планет.
Топографія ("топос" - місце, "графо" - пишу; дослівно - опис місцевості) вивчає методи топографічної зйомки місць ності з метою зображення її на планах і картах.
Картографія вивчає методи і процеси створення і використання карт, планів, атласів і іншої картографічної продукції.
Фотограмметрія (фототопографія і аерофототопо графія) вивчає методи створення карт і планів по фото- і аерофотознімках.
Інженерна геодезія вивчає методи і засоби проведення геодезічніх робіт при вишукуаннях, проектуванні і експлуатації різних інженерних споруд.
Маркшейдерія (підземна геодезія) вивчає методи проведення геодезичних робіт в підземних гірських виробленнях.
Геодезія займається вивченням Землі разом з іншими "геонауками", тобто, науками про Землю. Фізичні властивості Землі в цілому вивчає наука "фізика Землі", будову верхньої оболонки нашої планети вивчають геологія і геофізика, будова і характеристики океанів і Морея - гідрологія, океанографія.
Геодезія, як і інші науки, постійно вбирає в себе досягнення математики, фізики, астрономії, радіоелектроніки, автоматики і інших фундаментальних і прикладних наук.
Форма та розміри Землі
Думка про те, що Земля має форму кулі, уперше висловив в VI. в. до н.е. давньогрецький учений Піфагор, а довів це й визначив радіус Землі єгипетський математик і географ Эратосфен, що жив в III в. до н.е. Згодом учені уточнили, що Земля сплюснена з полюсів. Така фігура в математиці називається еліпсоїдом обертання, вона виходить від обертання еліпса навколо малої осі. У земному еліпсоїді (рис. 1.1, а) полярна вісь менше екваторіальної.
Земля не є правильним геометричним тілом - її поверхня являє собою сполучення височин і поглиблень. Більша частина поглиблень заповнена водою океанів і морів- з 510 млн. км2 загальної площі поверхні Землі 71% займає океан. Поверхня води в ньому під дією сили ваги утворює рівневу поверхню, перпендикулярну в кожній точці до напрямку сили ваги.
Рис. 1. 1. Земний еліпсоїд (а) і геоїд (б)
Лінію, що збігається з направленням сили ваги, називають прямовисною лінією. Якщо рівневу поверхню подумки продовжити під материками, утвориться фігура, яка називається геоїдом (рис. 1, б). Однак, через нерівномірний розподіл мас усередині Землі, поверхня геоїда має складну форму. Тому за математичну фігуру для Землі приймають еліпсоїд обертання, найбільш наближений до геоїда. Земний еліпсоїд відповідним чином подумки розташовують (орієнтують) у тілі Землі.
Земний еліпсоїд з певними розмірами й орієнтований певним чином для частини Землі, називають референц-елліпсоїдом. У нашій країні розміри референц-еліпсоїда були отримані під керівництвом видатного геодезиста Ф. М. Красовського. Ці розміри затверджені для використання в роботах по вищій геодезії й картографії. Референц-еліпсоїду привласнене ім'я Красовського. Розміри референц-еліпсоїда Красовського: більша піввісь а = 6378245м, мала піввісь b = 6356863 м, полярний стиск α=а - b/а= 1/298,3.
В інженерній геодезії й роботах по топографії умовно вважають, що Земля має форму кулі, обсяг якого дорівнює обсягу земного еліпсоїда, радіус кулі
R = 6371,11 км.
Визначення місця розташування точок.Системи координат: географічна і прямокутна
Рис. 1.2. Системи географічних (а) і плоских прямокутних (6) координат
Щоб визначити положення точок на земній поверхні, на ній умовно проводять лінії - паралелі й меридіани, які утворять систему географічних координат (рис. 1.2, а).
Меридіан - уявна лінія, утворена січною площиною, що проходить через вісь РР1 обертання Землі.
Паралель - уявна лінія, утворена на поверхні Землі січною площиною, перпендикулярною осі обертання Землі. Паралель, утворена площиною, що проходить через центр Землі - екватор.
Один з меридіанів, наприклад меридіан РNМ0Р1, приймають за початковий. Тоді положення меридіана точки М визначається двогранним кутом між меридіанною площиною, що проходить через цю точку, і площиною початкового меридіана. Цей кут називають довготою даної точки й позначають буквою λ. Положення паралелі точки М визначається кутом між радіусом ОМ земної кулі й площиною екватора. Цей кут називають широтою даної точки й позначають буквою φ. Довготу точки М можна виміряти також дугою NМ паралелі, а широту тієї ж точки - дугою М1М меридіана. Довгота λ та широта φ називаються географічними координатами даної точки.
Початковим меридіаном на поверхні Землі прийнято вважати меридіан, що проходить через центр меридіанного залу найстаршої в Європі астрономічної обсерваторії в Гринвічу, поблизу Лондона. Довготи відраховують до сходу й заходу від початкового меридіана в межах 0...180˚ і позначають, наприклад, так: 62° с. д. (східної довготи) або 124° з.д. (західної довготи) від Гринвіча; широти — 0...90˚ до півночі й півдня від екватора, наприклад 56° пн. ш. (північної широти) або пд.ш. (південної широти).
Положення будь-якої точки на поверхні Землі можна визначити за допомогою астрономічних спостережень (астрономічні координати), обчислити за результатами геодезичних вимірів на місцевості або за спостереженням супутників (геодезичні, координати).
Якщо геодезичні роботи ведуть на невеликій ділянці, що дозволяє не брати до уваги сферичність поверхні Землі, для визначення положення точки використовують систему плоских прямокутних координат (рис. 1.2, б). Систему утворять дві взаємно перпендикулярні лінії (осі), що лежать у горизонтальній площині, причому вісь абсцис х, як правило, сполучають із меридіаном якої-небудь точки. Точка О - початок координат. Позитивний напрямок осі х - на північ від екватора, осі y - на схід від меридіана. Осі абсцис й ординат утворять координатні чверті I...IV, які нумерують за ходом годинної стрілки; північно-східна чверть уважається першою.
Наприклад, положення точки А визначається координатами хауа. Залежно від чверті, у якій розташована точка, перед координатами ставлять знак « + » або « -».
Для повної характеристики положення точки на поверхні Землі необхідно знати ще третю координату - висоту. Висотою точки називається відстань по прямовисному напрямку від цієї точки до рівневої поверхні. Числове значення висоти точки називається її відміткою (позначкою).
Висоти (рис. 1.3) бувають абсолютні, умовні й відносні. Абсолютні висоти, наприклад НА, НВ, відраховують від вихідної рівневої поверхні - середнього рівня океану або моря (у Росії - це нуль Кронштадтського футштока - горизонтальна риска на мідній пластині, прикріпленій до підвалини моста через обвідний канал у м. Кронштадті).
Умовною висотою, наприклад НВум, називається прямовисна відстань від точки земної поверхні до умовної рівневої поверхні - будь-якої точки, прийнятої за вихідну (нульову).
Відносною висотою, або перевищенням h точки називається висота її над іншою точкою земної поверхні (наприклад, точки В над точкою А).