умк_Дегтярев_Геодезия_ч.1_2010г

УДК 528(075.8) ББК 26.1я73

Д26

Рекомендовано к изданию методической комиссией геодезического факультета в качестве учебно-методического комплекса (протокол № 4 от 18.12.2009)

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

гл. инженер РУП «Белгеодезия» Полоцкий геодезический центр В.В. ЖИЛЯЕВ;

д-р техн. наук, проф. каф. прикладной геодезии и фотограмметрии УО «ПГУ» В.И. МИЦКЕВИЧ

Дегтярев, А. М.

Д26 Геодезия : учеб.-метод. комплекс. В 2 ч. Ч. 1 / А. М. Дегтярев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Новополоцк: ПГУ, 2010. – 364 с.

ISBN 978-985-531-095-3 (Ч. 1). ISBN 978-985-531-094-6.

Изложены теоретические и практические основы геодезии по темам измерения в геодезии и методы определения положения точек. Состоит из 7 модулей. Каждый модуль содержит теоретический и практический материал с контрольными вопросами для проверки степени усвоения знаний.

Впервые было издано в 2008 году.

Предназначен для студентов, магистрантов и преподавателей геодезических и не геодезических специальностей, а также для слушателей ФПК и ПК.

УДК 528(075.8) ББК 26.1я73

ISBN 978-985-531-095-3

© А. М. Дегтярев, 2010, с изменениями © УО «Полоцкий государственный университет», 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Учебно-методический комплекс по дисциплине «Геодезия» часть 1, создан для студентов 1 курса геодезических специальностей, но может быть использован и студентами других специальностей, изучающих геодезию. Основной задачей комплекса является заложение у студента первичных, изначальных геометрических основ геодезии как науки, изучение основных групп задач, реализующих главную цель геодезии и закрепление полученных теоретических знаний практическими навыками. Для реализации этих задач используется теоретический материал в виде лекций на основе мультимедийных презентаций в среде PowerPoint, лабораторные и расчетно-графические работы, а также индивидуальные исследовательские работы и рефераты.

Был выделен основной объект изучения в этой части дисциплины: участок земной поверхности, который с заданной точностью можно считать плоским и объекты на нем. Также выделен диапазон точностей для производства угловых, линейных и высотных измерений. Все задачи, решение которых требует учета кривизны Земли (Земля – сфера), т.е. решения геодезических задач на средних расстояниях и площадях, более высоких точностных характеристик измерений, автоматизации процесса измерений и обработки результатов измерений, отнесены ко второй части курса «Геодезия», которая изучается на втором курсе.

Комплекс состоит из 7 модулей. Модули содержат последовательный набор теоретических тем в соответствии с программой дисциплины, описание выполнения лабораторных работ и состав представляемого после выполнения работы отчета. В конце каждого модуля даются контрольные вопросы по проверке полученных теоретических знаний. Практические навыки проверяются после выполнения лабораторной работы по 15 контрольным вопросам. Примерный вариант вопросов и ответов приведен в конце некоторых модулей.

Первая часть учебно-методического комплекса, охватывающая первый и второй семестры первого курса студентов геодезического факультета содержит 7 модулей. Модули содержат 18 тем, 9 лабораторных работ и

2расчетно-графические работы.

Впервом модуле рассматриваются вопросы обоснования геодезии как науки, основные цели, задачи и методы их реализации. Рассмотрены также общие положения процедуры измерений, а также средства и методы угловых измерений.

3

Второй модуль содержит общие положения высотных, линейных и графических измерений, средства и методы этих измерений, а также элементы оценивания результатов измерений.

Третий модуль посвящен решению задач определения положения точек на плоскости с простейшей оценкой точности (задача позиционирования) основными методами: ориентирование, засечка, ход, сеть.

Четвертый модуль рассматривает элементы трансформации систем координат, основные положения, средства и методы определения высот точек ходами и сетями, а также элементы определения положения в трехмерном пространстве.

Пятый модуль рассматривает общие положения представления геодезической информации и определения формы и размеров объектов. Представлены основные методы отображения и определения формы и размеров линейных, площадных и объемных фигур.

Шестой модуль посвящен топографическим съемкам, их видам, методам производства и обработки.

Седьмой модуль включает в себя изучение топографических планов, их видов и состава, а также решение основных групп геодезических задач, реализуемых на основе топографических планов.

Девять лабораторных работ и две расчетно-графические работы предназначены для получения основных практических навыков по применению теории и методик, изложенных в теоретическом курсе.

Большое внимание в учебно-методическом комплексе уделено самостоятельной работе студента по изучению теоретического и практического материала. Непременным условием эффективного усвоения тем и понятия сути практических методов является предварительная подготовка студентов к лекционным и практическим занятиям.

Для получения высоких оценок за курс необходимо участие студента в исследовательской работе и большой процент самостоятельной работы.

Комплекс разработан на основании действующего в настоящее время образовательного стандарта РД РБ 02100.5.201-98 по специальности 1-56 02 01 «Геодезия» и рабочей программы по дисциплине «Геодезия», составленной на кафедре геодезии и кадастров УО «Полоцкий государственный университет».

4

МОДУЛЬ 1

Введение

Первый модуль учебно-методического комплекса содержит 5 теоретических тем, 1 лабораторную работу и 2 контрольные точки для проверки теоретических и практических знаний. Из теоретических тем выделены следующие:

1.Геометрический метод познания как основа геодезии.

2.Теоретические основы геодезии.

3.Основные положения метода измерений.

4.Средства угловых измерений.

5.Методы угловых измерений.

Первую тему студентам предлагается изучить самостоятельно. Лабораторная работа носит название «Изучение средств и методов

угловых измерений».

Цель модуля – дать начальные представления о геодезии как о науке, выделить основную цель и методы реализации этой цели и в этой канве рассмотреть средства и методы угловых измерений.

После изучения модуля студент должен знать:

–истоки геодезии как науки;

–теоретические основы геодезии, основную цель и методы ее реализации;

–основные положения метода измерений;

–средства угловых измерений и их поверки;

–основные методы угловых измерений.

После изучения модуля студент должен уметь:

–выяснять пригодность к измерениям угломерных средств;

–выполнять простые угловые измерения технической точности. Контроль усвоения материала производится на основе двух кон-

трольных точек: по теоретическому материалу и по лабораторной работе. По теоретической части модуля предварительно выдается шесть вопросов. Студент должен дать исчерпывающие ответы на два из них (по вариантам). По практической части, после того, как лабораторная работа сдана и принята преподавателем, студент письменно отвечает на 15 вопросов, получая оценку в процентах.

На модуль отводится 4 недели: 4 лекции и 4 пары лабораторных занятий (см. календарный план дисциплины).

5

1.1. Геометрический метод познания как основа геодезии

Основные вопросы: первичные геометрические представления людей о мире; развитие геометрических знаний основных древних цивилизаций; греческая цивилизация и выделение геодезии как науки; дальнейшее развитие геодезии.

Первичные геометрические представления людей о мире. Для то-

го чтобы эффективно существовать и динамично развиваться, человек изначально должен был познавать окружающую среду и объекты в ней. Еще в глубокой древности были выделены некоторые самые необходимые стороны, требующие для выживания человека немедленного изучения. К ним можно отнести наряду с очевидными съедобный – несъедобный, такие свойства окружающего мира как холодный – горячий, твердый – мягкий, большой – маленький и некоторые подобные. С развитием орудий производства и добычи пищи, появились категории типа круглый как солнце, прямой как линия горизонта, ветвистый как дерево и другие. После начала миграций народов просто необходимо было появиться таким понятиям как, например, рука пальцев рук шагов в сторону самого высокого дерева, выше – ниже, длиннее – короче и тому подобным.

Несложно заметить, что все эти понятия хорошо делятся на группы, известные сейчас как химические, физические и геометрические методы познания, которые очевидно являлись самыми древними.

Не сильно ошибемся, если скажем, что изначально части человеческого тела были использованы как стандартные единицы измерений; мы все еще используем остатки этой практики в нашей системе измерений. Можно легко найти аналогии между частями первых измерительных инструментов и ноги, руки, других частей тела, из чего можно заключить, что человеческое тело, посредством которого человек сделал свои первые грубые оценки предметов, было взято как образец в построении измерительных инструментов, или их частей.

Среди первых интуитивных идей человека относительно практической геометрии, вероятнее всего были такие, как прямая линия, вертикальная линия и горизонтальная плоскость. В природе он видел, что они могут быть представлены многими способами. Из их комбинаций легко развивалась идея относительно прямых углов и элементарных понятий симметрии. От прямого угла просто перейти к квадрату, как фундаментальной единице площади и т.д.

6

Рассматривая геометрический метод познания мира, который нам ближе, уже тогда можно было выделить достаточно отчетливо три фундаментальных свойства объектов, представляющих первостепенный интерес: размер, форма и местоположение. Понятно, что эти семейства должны быть в каких-то отношениях друг с другом. Одним из первых видов отношений, на основе которого формы, размеры и положения части реального мира были перенесены из реальности на другой, искусственный носитель, можно считать доисторические наскальные карты. Древнейшая из них, представленная на рис. 1.1, датируется примерно IV – III тыс. до н.э., найдена в 1978 году на юге Иордании в подземном гроте. Здесь в качестве носителя выступил камень.

Рис. 1.1. Древнейшая каменная карта. примерно IV – III тыс. до н.э. Масштаб примерно 1:16000

Дальнейшее развитие человека и общества привело к зарождению классового общества и появлению групп людей, которые постоянно занимались изучением мира и хранением полученных знаний. Не последнее место в этой копилке знаний занимали знания о геометрии предметов и среды, которые стали развиваться еще интенсивнее со следующими причинами:

–появлением религий и связанных с ними работ по возведению ритуальных сооружений;

–переходами на большие расстояния по земле и морю, что требовало каких-либо картографических схем и средств и методов навигации;

–развитием сельского хозяйства и, таким образом, необходимости постоянного учета, разделения и переразделения земли на участки.

7

С точки зрения религии наибольшее развитие геометрических методов, связанных со звездами добился древний Шумер (примерно IV тыс. до н.э.), что запечатлено в их знаменитых глиняных табличках. Им же мы обязаны делением окружности на 360 градусов, градуса на 60 минут, минуты на 60 секунд. Появились эти понятия исходя из следующих рассуждений. Если умозрительно представить на небе два рядом стоящих Солнца, то расстояние между их центрами было названо «шаг Солнца». В дни равноденствия от восхода до заката на небе умещалось 180 «шагов Солнца» – полуокружность, а целая окружность – 360 шагов, которые в последствии получили имя градус.

Большие и малые переселения народов, поиски Ойкумены (края Земли) требовали развития методов измерений объектов реального мира и переносов их на удобный носитель (глина, пергамент, папирус) для дальнейшего хранения.

Развитие геометрических знаний основных древних цивилиза-

ций. Все древнейшие цивилизации, как известно, находились по берегам величайших рек своего времени: Тигр – Евфрат, Нил, Янцзы – Хуанхэ, Инд. Эти реки часто меняли русло, или бурно разливались, уничтожая, таким образом, границы земледельческих наделов, которые требовалось восстановить.

Инструменты, развитые древними народами зависели естественно от потребностей в них. Эти потребности могут быть разделены на четыре категории, которые достаточно перекликаются с перечисленными выше:

–развитие средств и методов измерений длин, площадей элементарных фигур для изъятия налогов, которые были во всех древнейших цивилизациях пропорциональны площадям земельных владений;

–огромное значение ирригационных работ, что естественно вело к развитию средств и методов определения разностей высот между точками.

Отвес был естественным результатом в потребности установить вертикальность стены. Наконец, для ориентации и возведения важных зданий

исооружений было необходимо некоторое средство построения одной линии под прямым углом к другой.

На стенах египетских могил были обнаружены несколько сцен, изображающих топографов в процессе измерения шнурами, которые, разделены на правильные интервалы. Самое древнее из дошедших до нас названий человека, занимающегося разделением земли, это древнеегипетский

харпедонапт (рис. 1.2).

8

Греческая цивилизация и выделение геодезии как науки. С появ-

лением греческой цивилизации, которая училась астрономии у шумеров, а геометрии у египтян, подход к познанию был кардинально изменен. Были выделены в отдельные науки абстрактная наука о методах землемерия – геометрия, со своей структурой, понятиями, аксиомами и теоремами, наука о землеразделении – геодезия, которая занималась сугубо практическими вопросами по разделению и измерению земель и геометрическому сопровождению возводимых объектов, и астрономия, которая занималась наблюдением за небесными объектами. О вкладе Древней Греции в геометрический метод познания и. следовательно. в геодезию, говорит тот факт, что вплоть до эпохи Возрождения, работы ученого Герона Александрийского (I век н.э.) «Метрика» и «О диоптре» были основными учебниками всех геометров и геодезистов (геодетов). В работе «О диоптре» Героном практически были заложены основные принципы геодезических приборов, реализованные им в виде прибора под названием диоптра (рис. 1.5). Диоптра Герона опередила по соответствующим аналогам и идеям свое время почти на полторы – две тысячи лет, оказывая влияние своими техническими возможностями на геодезическое инструментостроение последующих веков. Сложность изготовления измерительных инструментов Герона, а отчасти и применения на практике привело к тому, что в последующем они не использовались. Сложным геодезическим устройствам, напоминающим героновские, предстояло появиться только в XVI в. (топографический инструмент Диггса, квадрант Тихо Браге). Прибор был универсален, так как позволял измерять углы, разность высот между точками и расстояния с достаточно приличной точностью, то есть решать все основные практические задачи, известные как «17 задач Герона» изложенных также в этой работе:

1. Измерить разность высот двух точек, невидимых одна из другой.

10