1. Предмет и задачи геодезии

Слово "геодезия" образовано из греческих слов "ge" - земля и "dazomai" - разделяю, делю на части; если перевести его дословно, то получится "землеразделение". Это название соответствовало содержанию геодезии во времена ее зарождения и начального развития. Так, в Египте задолго до нашей эры измерялись размеры земельных участков, строились оросительные системы; все это выполнялось с участием геодезистов.

С развитием человеческого общества, повышением роли науки и техники расширялось содержание геодезии, усложнялись задачи, которые ставила перед ней жизнь.

В настоящее время геодезия - это наука о методах определения фигуры и размеров Земли и изображения ее поверхности на картах и планах, а также о способах проведения различных измерений на поверхности Земли (на суше и акваториях), под землей, в околоземном пространстве и на других планетах.

Известный ученый-геодезист В.В.Витковский так охарактеризовал геодезию: "Геодезия представляет одну из полезнейших отраслей знания; все наше земное существование ограничено пределами Земли, и изучать ее вид и размеры человечеству так же необходимо, как отдельному человеку - ознакомиться с подробностями своего жилья".

Среди многих задач геодезии можно выделить долговременные задачи и задачи на ближайшие годы.

К первым относятся:

• определение фигуры, размеров и гравитационного поля Земли,

• распространение единой системы координат на территорию отдельного государства, континента и всей земли в целом,

• изображение участков поверхности земли на топографических картах и планах,

• изучение глобальных смещений блоков земной коры.

Ко вторым в настоящее время относятся:

• создание и внедрение ГИС - геоинформационных систем,

• создание государственных и локальных кадастров: земельного, водного, лесного, городского и т.д.,

• топографо-геодезическое обеспечение делимитации (определения) и демаркации (обозначения) государственной границы России,

• разработка и внедрение стандартов в области цифрового картографирования,

• создание цифровых и электронных карт и их банков данных,

• разработка концепции и государственной программы повсеместного перехода на спутниковые методы автономного определения координат,

• создание комплексного национального атласа России и другие.

Эти задачи записаны в Постановлении коллегии Федеральной службы геодезии и картографии России от 20 февраля 1995 года.

Усложнение и развитие геодезии привело к разделению ее на несколько научных дисциплин.

Высшая геодезия изучает фигуру Земли, ее размеры и гравитационное поле, обеспечивает распространение принятых систем координат в пределах государства, континента или всей поверхности Земли, занимается исследованием древних и современных движений земной коры, а также изучает фигуру, размеры и гравитационное поле других планет Солнечной системы.

Топография ("топос" - место, "графо" - пишу; дословно - описание местности) изучает методы топографической съемки местности с целью изображения ее на планах и картах.

Картография изучает методы и процессы создания и использования карт, планов, атласов и другой картографической продукции.

Фотограмметрия (фототопография и аэрофототопография) изучает методы создания карт и планов по фото- и аэрофотоснимкам.

Инженерная геодезия изучает методы и средства проведения геодезических работ при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений.

Маркшейдерия (подземная геодезия) изучает методы проведения геодезических работ в подземных горных выработках.

Понятно, что четко обозначенных границ между перечисленными дисциплинами нет. Так, топография включает в себя элементы высшей геодезии и картографии, инженерная геодезия использует разделы практически всех остальных геодезических дисциплин и т.д.

Уже из этого неполного перечня геодезических дисциплин видно, какие разнообразные задачи - и теоретического, и практического характера, - приходится решать геодезистам, чтобы удовлетворить требования государственных и частных учреждений, компаний и фирм. Для государственного планирования и развития производительных сил страны необходимо изучать ее территорию в топографическом отношении. Топографические карта и планы, создаваемые геодезистами, нужны всем, кто работает или передвигается по Земле: геологам, морякам, летчикам, проектировщикам, строителям, земледельцам, лесоводам, туристам, школьникам и т.д. Особенно нужны карты армии: строительство оборонительных сооружений, стрельба по невидимым целям, использование ракетной техники, планирование военных операций, - все это без карт и других геодезических материалов просто невозможно.

Геодезия занимается изучением Земли в содружестве с другими "геонауками", то-есть, науками о Земле. Физические свойства Земли в целом изучает наука "физика Земли", строение верхней оболочки нашей планеты изучают геология и геофизика, строение и характеристики океанов и морей - гидрология, океанография. Атмосфера - воздушная оболочка Земли - и процессы, происходящие в ней, являются предметом изучения метеорологии и климатологии. Растительный мир изучает геоботаника, животный мир - зоология. Кроме этого, есть еще география, геоморфология и другие. Среди всех наук о Земле геодезия занимает свое место: она изучает геометрию Земли в целом и отдельных участков ее поверхности, а также геометрию любых объектов (и естественного, и искусственного происхождения) на поверхности Земли и вблизи нее.

Геодезия, как и другие науки, постоянно впитывает в себя достижения математики, физики, астрономии, радиоэлектроники, автоматики и других фундаментальных и прикладных наук. Изобретение лазера привело к появлению лазерных геодезических приборов - лазерных нивелиров и светодальномеров; кодовые измерительные приборы с автоматической фиксацией отсчетов могли появиться только на определенном уровне развития микроэлектроники и автоматики. Что же касается информатики, то ее достижения вызвали в геодезии подлинную революцию, которая происходит сейчас на наших глазах.

В последние годы строительство так называемых уникальных инженерных сооружений потребовало от геодезии резкого повышения точности измерений. Так, при монтаже оборудования мощных ускорителей приходится учитывать десятые и даже сотые доли миллиметра. По результатам геодезических измерений изучают деформации и осадки действующего промышленного оборудования, обнаруживают движение земной коры в сейсмоактивных зонах, наблюдают за уровнями воды в реках, морях и океанах и уровнем грунтовых вод.

Возможность использования искусственных спутников Земли для решения геодезических задач привела к появлению новых разделов геодезии - космической геодезии и геодезии планет. Подтверждаются слова К.Э. Циолковского: "Земля - колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели".

2. Что принимают за физическое тело Земли и какой поверхностью пользуются при выполнении расчетов и решении геодезических задач.

Точное знание формы и размеров Земли необходимо. Во многих отраслях науки и техники и прежде всего в геодезии, для правильного отображения земной поверхности на картах.

S _{пов. Земли}=510 000 000 км².

Представления о форме Земли можно получить, если вообразить, что вся планета ограничена поверхностью Мирового океана в спокойном состоянии, продолженной под сушей (под материками).

Такая замкнутая поверхность в каждой своей точке перпендикулярна к отвесной линии, т.е. к направлению силы тяжести, называется уровенной поверхностью (УП).

УП можно вообразить множество, но та, которая совпадает с уровнем воды мирового океана образует фигуру называемую геоид (реальная фигура Земли).

Для замены Земли, математически правильную фигуру в первом приближении принимают сферу (шар) с R=6,371 км. Путем точных измерений установлено, что геодезически близка к математической поверхности эллипсоида вращения.

Размеры эллипсоида определяются длинами полуосей (a:b)

а=6378245 м

b=6356863 м

α-сжатия

α=(a-b)/a=1/298,3

Линии сечения поверхности эллипсоида плоскостями, проходящими через ось вращения, называется меридианной.

Линии сечения поверхности эллипсоида плоскостями перпендикулярными к оси вращения, называется параллелями.

Параллель, у которой плоскость проходит через центр эллипсоида, называется экватор.

3. Какими проекциями пользуются для изображения поверхности Земли? Чем карта отличается от плана?

Физическая поверхность Земли – совокупность различных неровностей.

Для определения положения характерных точек земной поверхности в геодезии принят метод проекций.

• Ортогональная проекция – используется для проектирования пространственных форм на плоскость. Линии проектирования параллельны между собой и перпендикулярны к плоскости.

• При изображении больших территорий Земной поверхности проектирование производится на уровенную поверхность Земли, по отношению к которой отвеные линии являются нормалями.

Пересечение отвесных линий с поверхностью p дает проекции точек ABCD на этой поверхности в виде точек abcd

Положение точек Земной поверхности ABCD определяется географическими или прямоугольными координатами и длинами отвесных линий, которые называются высотами точек.

Высоты бывают абсолютные и относительные. Условные высоты измеряют от условных уровенных поверхностей. В России за начало уровня высот принят «0 Кронштадского футштока».

Систему высот в России называют Балтийской.

Отличительные признаки плана и карты:

• 1) На планах изображается меньшая площадь, нет искажений длин линий и углов.

• 2) На планах не учитывается кривизна Земли.

• 3) На планах используют более крупные масштабы: 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000;

на картах - 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000.

• 4) На планах нет параллелей и меридианов, а имеется только координатная сетка.

• 5) Различается номенклатура, т.е. система разграфки и обозначений отдельных листов карт и планов.

4. Система координат применяемые в геодезии.

Одна из основных задач геодезии – создание геодезической основы для работ по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации различных сооружений возводимых на земной поверхности.

Геодезическая основа – это густая сеть точек на поверхности земли, положение которых точно определено государственной или местной системой координат. Эти точки надежно закреплены в грунте, либо в каких-то инженерных сооружениях.

Относительно этих точек или пунктов можно определить положение существующих на месте объектов.

Географические координаты.

К ним относятся: широта, долгота и высота.

Указанные координаты задаются относительно плоскостей начального меридиана и экватора, а так же относительно поверхности геоида (высота).

Широта – это угол между отвесной линии данной точки и плоскости экватора.

Долгота – двугранный угол, отсчитываемый от плоскости (начального) меридиана, до меридианной плоскости данной точки.

Долгота может быть восточная и тогда она отсчитывается от Гринвича до востока (от 0⁰ до 180⁰)

Высота т.Н равна их вертикальному расстоянию от уровенной поверхности принятой за основную.

В России основная уровенная поверхность соответствует уровню Балтийского моря в Финском заливе. Эту систему высот называют Балтийской.

Иногда используют произвольные уровенные поверхности и тогда высоты называют условными. Разность высот двух точек называют превышением.

Применение географических координат на практике связанно со сложными вычислениями и чаще принимают в морской навигации. Наиболее проста и удобна прямоугольная система координат.

Прямоугольная система координат.

Ее распространяют на большие площади ограничено тем, что при переносе изображения какой-либо фигуры с поверхности эллипсоида на площадь, возникают искажения в углах и масштабах. Для крупномасштабного, картографированного и инженерно-геодезического работ используют зональную систему координат. Поверхность эллипсоида делят меридианами на шестиградусные зоны, нумерую их по порядку начиная с первой от Гринвича на восток по 60.

В проекции Гаоса-Крюгера, осевой меридиан зоны изображается прямыми линиями и перпендикулярно к нему направлена линия экватора.

Сферические поверхности зон преобразуют в плоскость, проектируя их на внутренние поверхности цилиндра. Эта поверхность развор. в плоскость без искажений. В данной проекции осевой меридиан зоны от линии экватора изображен прямыми линиями, перпендикулярны друг другу.

Положительное направление.

Остальные меридианы и параллели зоны изображены на плоскости кривыми кривыми линиями пересекающиеся под прямыми углами. Таким образом углы в данной проекции не искажаются, имеются искажения только в расстояниях на краях зон.

Для уменьшения искажений при создании планов 1/5000м. крупнее используют трехград. зоны.

Абсциссой (х) в любой точке в данной системе координат является расстояние от точки до экватора вдоль линии параллельной осевого меридиана. Для того, чтобы ординаты (у) в любом месте зоны были тоже положительны их значения увеличивают на 500км.

Плоские прямоугольные координаты

Для работ на небольших участках местности применяют локальные системы прямоугольных координат, при этом ось х может быть направлена вдоль меридиана или вдоль оси будущего сооружения. Положительное направление оси х на север, у – на восток. Счет четвертей ведется по часовой стрелке. Первая четверть на северо-востоке. При выполнении геодезических работ с 2002 года в России принята система координат СК-95. Она учитывает новые параметры эллипсоида. В Белгороде СК – 31. Есть полярная система координат. Полярными координатами точки С на плоскости служит расстояние S_с=ОС

β = угол отсчитываемый по часовой стрелке от полярной оси (ОК).