Лекции. Система геотехнологий

Подождите немного. Документ загружается.

1 ГЕОДЕЗИЯ. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1 Задачи геодезии

Задачи геодезии подразделяются на научные и научно-технические.

Главной научной задачей геодезии является определение формы и

размеров Земли и ее внешнего гравитационного поля. Наряду с этим

геодезия играет большую роль в решении многих других научных задач,

связанных с изучением Земли. К числу таких задач, например, относятся:

 исследования структуры и внутреннего строения Земли;

 горизонтальных и вертикальных деформаций земной коры;

 перемещений береговых линий морей и океанов;

 определение разностей высот уровней морей, движений земных полюсов

и др.

Эти задачи решаются совместно с научными исследованиями по

астрономии, геологии, геофизике, геоморфологии и другим наукам о Земле.

Достижения в области космических исследований, а также появление

новых приборов для наблюдений и измерений позволили приступить к решению

таких задач, как изучение фигуры и гравитационного поля Земли и планет,

определение некоторых их параметров и характеристик. Следует указать, что для

решения и «старых» научных проблем использование ИСЗ обусловило появление

методов, применение которых позволило получать качественно более высокие

результаты и находить новые решения ряда практических задач.

Научно-технические и практические задачи геодезии чрезвычайно

разнообразны; с существенными обобщениями они заключаются в

следующем:

− определение положения отдельных точек земной поверхности в

выбранной системе координат;

− составление карт и планов местности разнообразного назначения;

− выполнение измерений на земной поверхности (и под землей),

необходимых для проектирования, строительства и эксплуатации

инженерных сооружений, сельскохозяйственного производства,

эксплуатации природных богатств поверхности Земли и ее недр;

− обеспечение геодезическими данными нужд обороны страны.

Таким образом, в настоящее время геодезию можно определить как науку,

изучающую фигуру и гравитационное поле Земли и планет Солнечной системы,

расположение объектов на земной поверхности и формы ее рельефа и

занимающуюся измерениями в натуре, необходимыми для решения

многочисленных и разнообразных производственно – технических

народнохозяйственных задач и обеспечения нужд обороны страны.

Все задачи геодезии решаются на основе результатов специальных

измерений, называемых геодезическими, выполняемых при помощи

специальных геодезических приборов. Поэтому разработка

программ и методов измерений, создание наиболее целесообразных типов

геодезических приборов составляют важные научно-технические задачи

геодезии.

Непосредственные результаты геодезических измерений, как правило,

определяют еще не искомые величины, а некоторые другие, функционально

связанные с ними. Связь между измеренными и искомыми величинами

устанавливается на основе математических зависимостей. Разработка методов

и приемов математической обработки измерений, в результате которой с

заданной достоверностью и контролем определяются искомые величины,

является также существенной научно-технической задачей геодезии.

Из изложенного следует важный вывод, что геодезические измерения и

обработка их результатов по надлежаще разработанной программе

составляют метод решения задач геодезии.

Геодезия подразделяется на ряд научных и научно – технических

дисциплин.

Высшая геодезия, основные задачи которой — изучение

фигуры Земли и ее внешнего гравитационного поля, а также точное

определение координат точек земной поверхности в единой системе. К. этой

области геодезии можно отнести и изучение фигур планет Солнечной

системы и их гравитационных полей.

Геодезия (топография) рассматривает способы изучения в деталях

земной поверхности и отображения ее на картах и планах. Топография

занимается изучением твердой поверхности Земли – суши; изучение океанов,

морей, их берегов и дна составляет предмет гидрографии.

Топографические работы на значительных территориях производятся с

использованием воздушных и наземных фотографических снимков земной

поверхности (фототопография).

Соединение фотоснимков в единое целое — план или карту

производится при помощи пунктов геодезической сети; при этом

используются математические законы соответствия между объектом

фотографирования и его изображением на снимке. Область научно-

технических знаний, рассматривающая эти законы, а также методы и

приборы, используемые для определения взаимного положения объектов

фотографирования по фотоснимкам, называется фотограмметрией

(измерительной фотографией). Таким образом, фототопография — часть

фотограмметрии, рассматривающая методы получения топографических

планов по фотоснимкам.

Методы фотограмметрии позволяют по фотоснимкам определять взаимное

положение любых точек сфотографированных объектов и, в частности,

сооружений.

Фотографирование Земли с искусственных спутников позволило

получать в короткие сроки разнообразные данные и сведения о земной

поверхности на огромных по площади территориях.

Инженерная геодезия разрабатывает методы геодезических

работ, выполняемых при изысканиях, проектировании, строительстве и

эксплуатации разнообразных инженерных сооружений, установке и монтаже

специального оборудования, с целью разведки, использования и

эксплуатации природных богатств.

Несколько подробнее задачи инженерной геодезии заключаются в

следующем:

а) получение геодезических материалов, необходимых для составления

проекта работ по строительству сооружения, путем выполнения

полевых геодезических измерений и вычислительно-графических работ;

б) определение на местности положения основных осей и границ

сооружений и других их характерных точек в соответствии с

проектами строительства;

в) обеспечение геометрических форм и размеров элементов сооружения на

местности в соответствии с его проектом в процессе строительства;

г) обеспечение геометрических условий установки и наладки специального

оборудования;

д) установление отклонений сооруженного объекта от его проекта

(«исполнительные съемки»);

е) изучение деформаций основания и тела сооружения, происходящих под

действием различных нагрузок, под влиянием внешних факторов и

деятельности человека;

ж) определение расположения на поверхности Земли (или в ее недрах)

отдельных объектов, элементов и характеристик, представляющих

интерес для данного вида или отрасли народного хозяйства.

Инженерно-геодезические работы, имеющие прикладное значение,

являются наиболее обширными. Инженерная геодезия использует методы

высшей геодезии, топографии и фотограмметрии, а в отдельных случаях и свои

приемы и средства.

Картография разрабатывает методы составления, издания и пути

использования разнообразных карт. Создание карт основано на

использовании и обобщении различных геодезических и топографических

материалов и в первую очередь более подробных планов, чем составляемая

карта.

Остановимся на общих требованиях, которым должны

удовлетворять постановка и выполнение геодезических работ.

Геодезические работы должны выполняться с необходимой и

достаточной точностью. Измерения, выполненные с излишней полнотой и

точностью, вызовут излишние затраты сил, средств и времени, а с

недостаточной — несоответствие предъявляемым к ним требованиям, т. е.

брак. В основу проектирования и выполнения геодезических работ должен

быть положен инженерный расчет, базирующийся на предвычислении

погрешностей определения искомых величин, предварительном

установлении полноты и точности получения геодезических данных и их

соответствие поставленным условиям.

При топографических работах должен быть правильно выбран масштаб

съемки.

При строительстве сооружений объем инженерно-геодезических работ мал

по сравнению с объемами других видов работ. Однако от их правильной

постановки и своевременности выполнения в значительной мере зависят технико-

экономические и качественные показатели строительства.

Геодезические измерения выполняются непосредственно на местности в

разнообразных физико-географических условиях; в этом существенное отличие

геодезических измерений от измерений стационарного или лабораторного типа.

Исполнитель геодезических работ всегда должен помнить, что его окружает мир

сложных и беспрерывно меняющихся внешних условий (температура, атмосферное

давление, действие солнечных лучей и ветра, освещенность, влажность и т. п.),

которые заметно влияют на результаты измерений. Эти обстоятельства, играющие

первостепенную роль в точных геодезических измерениях, могут оказывать

ощутимые влияния и в работах средней и малой точности; их необходимо

учитывать при выборе приборов, методов и порядка работ.

Большое внимание необходимо уделять тщательному и неуклонному

выполнению правил техники безопасности. Эти правила, различающиеся в

зависимости от вида геодезических работ, определяются соответствующими

обязательными инструкциями. Руководитель геодезического подразделения обязан

уделять большое внимание контролю за выполнением этих правил всем личным

составом подчиненного ему подразделения.

1.2 Связь геодезии с другими науками. Роль геодезии в научных

исследованиях, народнохозяйственном строительстве и

обороне страны

Методы решения научных и практических задач геодезии основываются на

законах математики и физики. При помощи математики разрабатываются научно

обоснованные схемы постановки и выполнения геодезических измерений и

устанавливаются зависимости между результатами измерений и искомыми

величинами (например, значениями расстояний, углов и координатами точек земной

поверхности).

Задача изучения фигуры Земли и ее гравитационного поля решается на

основе законов механики. На основе математики производится обработка

результатов измерений, позволяющая получать с наибольшей достоверностью

значения искомых величин.

Сведения из физики, особенно ее разделов – оптики, электроники и

радиотехники, необходимы для разработки геодезических приборов и

правильной, их эксплуатации.

Геодезия связана с астрономией, геологией, геофизикой,

геоморфологией, географией и другими науками. Например, сведения по

астрономии необходимы для разработки и применения астрономических

способов определения координат точек земной поверхности; наоборот,

диаметр Земли, определяемый средствами геодезии, используется

астрономией в качестве единицы длины при определении расстояний между

светилами Солнечной системы. Геоморфология — наука о происхождении и

развитии рельефа земной поверхности — необходима геодезии для

правильного изображения форм рельефа на планах и картах. Легко

усматривается обратная связь геоморфологии и геодезии.

Существуют аналогичные связи геодезии с другими перечисленными выше

науками о Земле.

Определение формы и размеров Земли — один из вопросов

естествознания, имеющий научное и практическое значение. Без знания

размеров и формы Земли невозможно создание топографических карт и

решение многих практических задач на земной поверхности. Знание фигуры

Земли необходимо и другим наукам — астрономии, геофизике, геологии и др.

Внешнее гравитационное поле Земли, массу Земли с необходимой

точностью определяют по результатам различных видов геодезических

измерений; для характеристики важности этих данных в качестве примера

можно указать, что для запуска ракет в заданную цель и искусственных

спутников Земли на определенную орбиту упомянутые данные являются

одними из основных расчетных параметров.

Одним из направлений современных научных исследований является

изучение внутреннего строения Земли и процессов, происходящих на ее

поверхности и в недрах. Геодезические методы позволяют фиксировать

количественные характеристики таких явлений, как вертикальные и

горизонтальные тектонические движения земной коры, изменения береговых

линий океанов и морей, определение наклонов и разностей уровней морей и

др.

Трудно переоценить значение топографических карт. Они являются

основой для отображения результатов научных исследований и практической

деятельности в области геологии, геофизики, географии, геоморфологии и

других наук о Земле. Топографические карты необходимы для

государственного планирования и размещения производительных сил,

проектирования инженерных сооружении, при разведке и эксплуатации

природных богатств, градостроительстве, организации

сельскохозяйственного производства, при выполнении мелиоративных работ,

землеустройстве, лесоустройстве и т.д.

Выдающийся ученый-геолог И. М. Губкин писал о том,

;

что

топографические карты и планы служат необходимым условием для

последующего успешного осуществления работ геолога, гидрогеолога,

гидротехника, географа, агронома, почвоведа, лесовода, инженера-

проектировщика, инженера-строителя и т. д. Все эти специалисты без

топографической карты — все равно, что плотник без топора дли кузнец без

молота .

Геодезические измерения обеспечивают соблюдение геометрических

форм и элементов проекта сооружения в отношении как его расположения на

местности, так и внешней и внутренней конфигурации. Даже после окончания

строительства производятся специальные геодезические измерения, имеющие

целью проверку устойчивости сооружения и выявление возможных

деформаций во времени под действием различных сил и причин.

Исключительное значение имеет геодезия для обороны страны.

Строительство оборонительных сооружений, стрельба по невидимым целям,

использование военной ракетной техники, планирование военных операций и

многие другие стороны военного дела требуют геодезических данных, карт и

планов.

1.3 Сведения о фигуре Земли

Фигура Земли как планеты обусловлена воздействием многих процессов,

связанных с ее образованием и существованием; решающее значение при этом

оказывают силы взаимного тяготения и центробежная. Фигуру, которую приняла

бы Земля, находясь в состоянии гидростатического равновесия и под влиянием

только сил взаимного тяготения частиц и центробежной силы вращения около

неизменной оси, называют земным сфероидом.

Говорить о форме Земли как о сфероиде, т. е. шаре, сплюснутом по

направлению полюсов, можно лишь с большим обобщением. Физическая

поверхность Земли — поверхность материков и дна океанов и морей представляет

собой сложную форму, напоминающую сфероид лишь в целом.

Для изучения физической поверхности Земли, а также для других целей

вводится понятие — уровенная поверхность, — поверхность, на

которой потенциал * силы тяжести Земли всюду имеет одно и то же значение. С

геометрической точки зрения уровенная поверхность — поверхность, в каждой

точке которой нормаль к ней совпадает с направлением отвесной линии.

Уровенных поверхностей можно провести бесчисленное множество, и все они

будут окружать (опоясывать) Землю, нигде не пересекаясь друг с другом. Фигура

Земли, образованная уровенной поверхностью, совпадающей с поверхностью

Мирового океана в состоянии полного покоя и равновесия и продолженной под

материками, получила название г е о и д (рис. 1).

Поверхность геоида не может быть представлена достаточно простым

уравнением и неудобна для обработки результатов геодезических измерений.

Поэтому ее заменяют (аппроксимируют) другой, более простой поверхностью.

Из всех геометрических фигур, определяемых сравнительно простым

уравнением, к геоиду ближе всего подходит сжатый эллипсоид вращения, т. е.

тело, образованное вращением эллипса вокруг его малой оси (рис. 2). Эллипсоид,

характеризующий форму и размеры Земли вообще, называют земным

эллипсоидом, а тот из них, который принят для обработки геодезических

измерений и установления системы геодезических координат, — референц-

эллипсоидом.

Размеры земного эллипсоида определялись по результатам геодезических

измерений много раз. В СССР размеры эллипсоида были получены в 1940 г.

выдающимся советским геодезистом Ф. Н. Красовским (1878—1948 гг.) и

А. А. Изотовым по наиболее обширным для того времени геодезическим

данным. В 1946 г. эти размеры утверждены как обязательные для

геодезических и картографических работ в нашей стране; референц-

эдлипсоиду присвоено имя Ф. Н. Красовского.

Рис. 1. Аппроксимация поверхности Земли:

1 — физическая поверхность; 2 — уровенная поверхность (поверхность геоида); 3 —

поверхность земного эллипсоида; 4 – нормаль к поверхности земного эллипсоида; 5 –

направление отвесной линии

Референц- эллипсоид Красовского имеет параметры:

а=6 378 245 м, α=(а-b)/a=1/298,3, b≈6 356 863 м, где a и b – большая и

малая полуоси эллипсоида, α – полярное сжатие.

Ориентирование референц-эллипсоида в теле Земли осуществляют при

помощи так называемых исходных дат( датумы). При этом

считают, что центр референц-эллипсоида совмещен с центром масс Земли, а

его малая ось — с осью вращения Земли. По современным данным,

отклонения эллипсоида Красовского от геоида не превышают 100— 150 м.

В некоторых случаях при геодезических измерениях, выполняемых на

довольно значительных участках поверхности Земли, геоид аппроксимируют

шаром (радиусом 6 371,11 км), эквивалентным по объему референц-

эллипсоиду.

1.4 Системы координат, применяемые в геодезии

а ) Геодезическая система координат

Координатными плоскостями, т. е. плоскостями, относительно которых

определяют координаты точек пространства, являются плоскость экватора