1.Предмет геодезии, его значение в деятельности инженерных путей сообщения
Геодезия – наука об изменениях на земной поверхности, с целью определения формы и размеров Земли для изображения ее в виде карт, планов и профилей (линейные, угловые и высотные измерения).
В задачи геодезии входит изучение и разработка:
Геодезических инструментов и методов измерений;
Методов вычислительной обработки результатов измерений;
Методов графических построений в виде карт, планов, профилей;
Использования документации для решения задач.
Геодезия – обширная научная дисциплина. Опирается на математику, физику, географию, геологию, астрономию и ряд других наук.
По мере своего развития геодезия подразделилась на ряд дисциплин: высшая геодезия (фигуры и размеры земли, определяет координаты в единой системе); топография (изучает способы детальных измерений на поверхности земли); аэрофототопография (топографические работы выполняются с использованием воздушных и наземных снимков); маркшейдерское дело (геодезия под землей); космическая геодезия (в космосе); подводная геодезия (под водой); картография (изучает методы составления и использования карт); инженерная геодезия (комплекс геодезических работ, связанных с изысканиями, проектированием, строительством, эксплуатацией инженерных сооружений).
При эксплуатации ж.д. широко используют планы и профили. Выпускник УПП должен уметь их читать. В связи с увеличением скоростей движения путь должен быть в безупречном состоянии, как в плане, так и в профиле.
Следовательно, возрастает роль геодезического контроля за состоянием пути. Планы и профили составляются при текущем, среднем и капитальном ремонтах пути; 2 раза в год выполняется съемка ж.д. кривых. Съемки выполняют также при лечении земл. п., определении осадков и деформации сортировочных горок.
Специалист-управленец должен решать вопросы, связанные с паспортизацией ж.д. пути.
2. Основные сведения о формах и размерах Земли.
Физическая поверхность Земли имеет сложную форму, суша занимает 29%, моря и океаны – 71% всей поверхности. Чтобы изобразить земную поверхность на плане, надо знать фигуру Земли. Это позволит выбрать такой метод проектирования изображения земной поверхности, которая бы позволила спроектировать неправильную форму Земли в виде математической модели.
Прежде всего, дадим понятие «уровенной поверхности». Уровенная поверхность (рис.1.1) – поверхность, перпендикулярная в каждой точке к направлению силы тяжести (отвесной линии).
Уровенных поверхностей можно провести сколько угодно, т.к. Земля неоднородна и состоит из слоев, плотность которых различна. За фигуру Земли принимается уровенная поверхность, совпадающая с поверхностью океанов и морей при спокойном состоянии водных масс и мысленно продолженная под материками. Такая уровенная поверхность называется геоидом.
Поскольку наибольшие отступления геоида от эллипсоида не превышают 100—150 м, фигурой, наиболее близкой к геоиду, является эллипсоид вращения, называемый земным эллипсоидом. Параметрами, определяющими его размеры и форму, являются большая а и малая b полуоси или большая полуось а и полярное сжатие α = (а — b)/а
Параметры земного эллипсоида неоднократно определялись учеными различных стран. В 1946 г. для геодезических и картографических работ в
СССР приняты следующие размеры земного эллипсоида: а = 6 378 245 м, b
— 6 356 863 м, α = 1 : 298,3. Эти параметры получены в 1940 г. выдающимся советским геодезистом Ф. Н. Красовским.
3. План, карта, профиль, масштаб, условные знаки
При изображении небольшого участка земной поверхности радиусом до 20 км его проецируют на горизонтальную плоскость. Полученную горизонтальную проекцию участка в уменьшенном виде наносят на бумагу. Ошибки, возникающие в этом случае за счет кривизны Земли, находятся в пределах самой высокой точности линейных измерений и поэтому не имеют практического значения.
Чертеж, дающий в подобном и уменьшенном виде изображения горизонтальной проекции участка местности, называется планом.
При изображении на плоскости значительных территорий проектирование их производят уже на сферическую поверхность, которую затем развертывают в плоскость. При этом получают определенные искажения контуров.
Уменьшенные изображения на плоскости значительных участков поверхности, полученные с учетом кривизны Земли, называютсякартами.
При составлении карт по определенным математическим законам строят сетку меридианов и параллелей, называемуюкартографической сеткой, внутри которой располагают изображаемые контуры. Наличие такой сетки служит признаком карты. Классификация карт и планов:
Планы и карты с изображением контуров и рельефа называют топографическими. Планы с изображением только контуров
называются контурными или ситуационными. Карты, на которых изображены географические объекты, называются географическими. Карты и планы, на которых имеется дополнительная информация называются специальными (например климатические).
Для проектирования сооружений линейного типа необходимо знать рельеф по оси сооружения. В этом случае строится профиль.
Профилем называется изображение на бумаге в уменьшенном виде вертикального разреза местности.
Масштабом называется отношение длины линии на плане (карте) к длине горизонтальной проекции соответствующей линии на местности.
Масштабы бывают:
•численными,
•линейными,
•поперечными.
Примеры численного масштаба: 1:2000, 1:500, 1:10000.
Знаменатель дроби показывает, во сколько раз горизонтальная линия местности уменьшена при перенесении ее на план. Для удобства работы с планом или картой пользуются линейным или поперечным масштабом Точность, с которой можно производить измерения по плану или карте, зависит от масштаба. Наименьшая величина, различимая невооруженным глазом, составляет 0,1 мм. Расстояние на местности, соответствующее в данном масштабе 0,1 мм на плане или карте, называется точностью масштаба
Для обозначения на планах и картах различных предметов и контуров местности применяются условные знаки. Условные знаки делятся на масштабные и внемасштабные.
_______Масштабными или контурными называются такие знаки, которыми предметы местности изображаются с соблюдением масштаба данной карты или плана, например, леса, луга, пашни, озера.
_______Если предмет в данном масштабе не может быть выражен контурным знаком вследствие своей малости, то применяется условный знак, который называется внемасштабным.
_______Примером внемасштабных условных знаков могут являться знаки, обозначающие километровые столбы, колодцы, указатели дорог и т.д.
4. Системы координат, применяемые в геодезии.
Для определения положения точек в плоской прямоугольной геодезической системе координат используют плоскую прямоугольную систему координат, образованную двумя взаимно перпендикулярными прямыми. Одну из них принимают за ось абсциссX, другую – за ось ординатY, точку пересечения осейО– за начало координат.
Пространственные прямоугольные координаты. Начало системы координат расположено в центре O земного эллипсоида (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Земной эллипсоид и координаты: Х, Y , Z – пространственные прямоугольные; B, L, H - геодезические; G - Гринвич
Ось Z направлена по оси вращения эллипсоида к северу. Ось Х лежит в пересечении плоскости экватора с начальным - гринвичским меридианом. Ось Y направлена перпендикулярно осям Z и X на восток.
Геодезические координаты. Геодезическими координатами точки являются ее широта, долгота и высота (рис. 2.2).
Геодезической широтой точки М называется угол В, образованный нормалью к поверхности эллипсоида, проходящей через данную точку, и плоскостью экватора.
Широта отсчитывается от экватора к северу и югу от 0° до 90° и называется северной или южной. Северную широту считают положительной, а южную - отрицательной.
Плоскости сечения эллипсоида, проходящие через ось OZ,
называются геодезическими меридианами.
Геодезической долготой точки М называется двугранный угол L, образованный плоскостями начального (гринвичского) геодезического меридиана и геодезического меридиана данной точки.
Долготы отсчитывают от начального меридиана в пределах от 0° до 360° на восток, или от 0° до 180° на восток (положительные) и от 0° до 180° на запад (отрицательные).
Геодезической высотой точки М является ее высота Н над поверхностью земного эллипсоида.
5. Географические координаты.
Географические координаты определяют положение точки относительно земного экватора и одного из меридианов, принятого за начальный. Географические координаты могут быть получены на основании астрономических наблюдений или геодезических измерений. В первом случае их называют астрономическими, во втором – геодезическими. При астрономических наблюдениях проектирование точек на поверхность осуществляется отвесными линиями, при геодезических измерениях – нормалями, поэтому величины астрономических и геодезических географических координат несколько отличаются. Для создания мелкомасштабных географических карт сжатием Земли пренебрегают, а эллипсоид вращения принимают за сферу. В этом случае географические координаты будут сферическими.
Широта – угловая величина, определяющая положение точки на Земле в направлении от экватора (0º) к Северному полюсу (+90º) или Южному полюсу (–90º). Широта измеряется центральным углом в плоскости меридиана данной точки. На глобусах и картах широту показывают при помощи параллелей.
Долгота – угловая величина, определяющая положение точки на Земле в направлении Запад-Восток от Гринвичского меридиана. Долготы отсчитывают от 0 до 180°, на восток – со знаком «плюс», на запад – со знаком «минус». На глобусах и картах широту показывают при помощи меридианов.
6. Прямоугольные координаты.
Плоские прямоугольные координаты (рис. 2) – линейные величины, определяющие положение объекта на плоскости относительно принятого начала координат – пересечение двух взаимно перпендикулярных прямых (координатных осей Х и Y).
В топографии каждая 6- градусная зона имеет свою систему прямоугольных координат. Ось Х - осевой меридиан зоны, ось Y – экватор, а точка пересечения осевого
меридиана с экватором – начало координат.
Система плоских прямоугольных координат является зональной; она установлена для каждой шестиградусной зоны, на которые делится поверхность Земли при изображении ее ни картах в проекции Гаусса, и предназначена для указания положения изображений точек земной поверхности на плоскости (карте) в этой проекции.
Началом координат в зоне является точка пересечения осевого меридиана с экватором, относительно которой и определяется в линейной мере положение всех остальных точек зоны. Начало координат зоны и ее координатные оси занимают строго определенное положение на земной поверхности. Поэтому система плоских прямоугольных координат каждой зоны связана как с системами координат всех остальных зон, так и с системой географических координат.
Применение линейных величин для определения положения точек делает систему плоских прямоугольных координат весьма удобной для ведения расчетов как при работе на местности, так и на карте. Поэтому в войсках эта система находит наиболее широкое применение. Прямоугольными координатами указывают положение точек местности, своих боевых порядков и целей, с их помощью определяют взаимное положение объектов в пределах одной координатной зоны или на смежных участках двух зон.
7. Система высот принятая в России.
Принято считать, что высота уровенной поверхности геоида (морей и океанов) равна нулю. Поэтому в каждой стране начало счета высот свое. В РФ это средний уровень Балтийского моря нуль Кронштадтского футштока на мосту через обводной канал. Эта система высот называется балтийской.
8. Понятие о номенклатуре карт и планов.
Объекты, расположенные на территории Российской Федерации, невозможно отобразить на одном листе карты. Для этих целей создается совокупность карт и планов различных масштабов, характеризующих отдельные участки страны. Чтобы «привязать» участок земной поверхности к конкретному изображению, используется номенклатура карт. Под номенклатурой карт понимается система обозначений отдельных листов. Термин «номенклатура», в переводе с латинского, означает «перечень». Процесс деления топографических карт на отдельные листы меридианами и параллелями называется разграфкой.
В основу формирования номенклатур карт на территорию России положена карта масштаба 1 : 1 000 000. Номенклатура этих карт формируется следующим образом. Вся поверхность Земли делится на трапеции, размером 4º по параллелям (на пояса или ряды) и 6º по меридианам (на колонны). Широтные пояса (ряды) обозначаются прописными латинскими буквами от A до V, начиная от экватора в сторону обоих полюсов, а колонны – арабскими цифрами, начиная от меридиана, противоположного Гринвичскому (соответствует 180º), с востока на запад против хода часовой стрелки (от 1 до 60). Номенклатура листа масштаба 1 : 1 000 000 складывается из буквенного обозначения ряда и номера колонны, например: N-37 (Омск), J-42(Душанбе), K-38 (Тбилиси).
9. Дирекционные углы и их связь с румбами.
Ориентирование линий - определение их направлений относительно другого направления, принятого за исходное. Положение какого-либо объекта на местности чаще всего определяют и указывают в полярных координатах, то есть углом между начальным (заданным) направлением и направлением на объект и расстоянием до объекта. В качестве начального выбирают направление географического (геодезического, астрономического) меридиана, магнитного меридиана или осевого меридиана зоны (оси абсцисс прямоугольной сис-мы коорд). Ориентирными углами направлений являются: азимуты (истинный или магнитный), дирекционный угол и румб.
У Земли существуют истинный и магнитный полюсы, не совпадающие между собой. Соответственно этому есть истинный и магнитный меридианы. И от того и от другого можно отсчитывать направление на нужный предмет.
В одном случае мы будем иметь дело с истинным азимутом, в другом — с магнитным.
Истинный азимут (Аи) - двугранный угол между истинным (географическим) меридианом и направлением на точку наблюдения. Измеряется по часовой стрелке от 00 до 3600.
Магнитный азимут (Ам) – двугранный угол между направлением на северный магнитный полюс (указывается северным концом магнитной стрелки) и направлением на точку наблюдения. Измеряется по часовой стрелке от 00 до 3600.
Т.к. географический и магнитный полюсы Земли не совпадают, они находятся на некотором расстоянии друг от друга. Поэтому, стрелка компаса показывает не точно на Север, а чуть в сторону, на Северный магнитный полюс. Эта неточность называется магнитное склонение. Склонение различно для разных мест, оно м.б. западным и восточным.
Дирекционный угол (α) – угол между проходящим через данную точку направлением и линией, параллельной оси абсцисс (осевому меридиану). Отсчитывается от северного направления оси абсцисс по ходу часовой стрелки от 00 до 3600.
Румб (r) – угол, отсчитываемый от ближайшего конца линии, параллельной осевому меридиану зоны и проходящей через точку стояния. Величина румба м.б. от 00 до 900. Румб должен быть обозначен по четверти круга, к которому он принадлежит.
Связь между ними.
Азимуты и дирекционный угол имеют прямое и обратное значение. Как видно из рисунка прямой и обратный дирекционные углы, измеренные из точки А на В и из В на А, различаются на 1800: αАВ= αВА+-1800.
Прямой и обратный геодезический азимуты различаются между собой на 1800 и на величину гамма, называемую сближением меридианов. Оно возникает из-за того, то все меридианы сходятся в одну точку. Сближение меридианов на экваторе равно нулю.
Алгебраическая зависимость между азимутом и дирекционным углом: Аи=α+гамма.
Связь румбов с дирекционными углами: I – r=α
II – r=1800-α
III – r=α-1800
IV – r=3600-α
10.Виды нивелирования.
Нивелирование – это такой вид геодезических работ, при котором определяют абсолютные или условные высоты точек, либо превышения между точками. Если высоты точек определяют относительно уровня Балтийского моря (нуля Кронштадского футштока – рейки с делениями на водомерном посту), высоты называют абсолютными (рис. 55), а систему высот Балтийской. В случае, когда за уровенную принимают какую – либо произвольную поверхность, высоты называют условными.
Существует несколько видов нивелирования:
1.Геометрическое (при помощи горизонтального луча визирования). 2.Тригонометрическое (при помощи наклонного луча визирования). 3.Физическое: барометрическое, гидростатическое.
4.Механическое.
5.Азрорадиогеодезическое.
6.Стереофотограмметрическое.
Барометрическое нивелирование выполняется путем измерения барометрами
– анероидами давления в точках на физической поверхности Земли, между которыми измеряют превышение. Гидростатическое нивелирование основано на свойстве жидкости в сообщающихся сосудах (в сообщающихся сосудах уровень жидкости одинаков).