Лекции по геодезии

 

 

 

Курс лекций по геодезии Составила преподаватель Трубкина Е. Г.                                   2007

 

ВВЕДЕНИЕ

          Деятельность людей связана с различными измерениями. Измеряют расстояние между двумя точками, площадь участка, угол между двумя прямыми, высоту точки и т. д. Каждое измерение преследует свои цели.

  Геодезия ( в переводе с греческого землеразделение) - наука об измерениях, производимых для определения формы и размеров Земли и изображения ее поверхности на планах, картах, профилях, строительства всех видов инженерных сооружений, решения многообразных экономико-хозяйственных, экологических, научных и других проблем. Геодезия включает ряд научных дисциплин:

• высшая геодезия изучает форму и размеры Земли в целом и разрабатывает методы особо точного определения координат точек земной поверхности в единой системе.
• топография изучает измерения, необходимые для изображения небольших частей поверхности Земли на топографических планах и картах.
• картография занимается разработкой методов составления географических карт на значительные территории, используя при этом геодезические измерения. 
• аэрофотосъёмка - наука о методах получения и преобразования аэрофотоснимков земной поверхности в планы и карты.
• космическая геодезия, развивающая методы решения геодезических задач с применением космической техники.
• инженерная геодезия исследует вопросы создания топографо-геодезических материалов для проектирования инженерных  сооружений (в том числе предприятий лесного хозяйства), а также разрабатывает методы измерений при выносе проектов на местность, строительстве и эксплуатации сооружений.

       При выполнении лесной съёмки используют методы, технологию и технические средства, разрабатываемые геодезией. А также технические приёмы, обусловленные особенностями измерений в лесу, и некоторые специальные приборы.

Геодезия и прикладная геодезия при своем развитии опираются на достижения других наук и особенно математики, астрономии, физики, географии, инженерного дела и др.

.

Возникновение геодезии относится к глубокой древности, в государствах Ближнего Востока за несколько тысячелетий до нашей эры измеряли участки орошаемых земель и делили их между земледельцами. Строительство оросительных каналов уже в то время требовало геодезических измерений на больших пространствах.

Развитию геодезии способствовало открытие в ХУ и ХУI веках новых земель. Их надо было изобразить на бумаге, составить карты, а для этого, прежде всего необходимо было провести геодезические измерения.

Большие территории государств требовали организации высокоточных измерений, чтобы не допустить ошибок в картах. Для изображения неровной и сферической поверхности Земли па плоскости нужно было определить размеры ее и форму. Для этого с XVIII в. и вплоть до наших дней организуют так называемые градусные измерения по методу триангуляции.

В дореволюционной России организованные съемки начали выполнять со времен Петра 1, который посылал экспедиции в районы развития судоходства - на Волгу, Каспийское море, на Дон, Азовское море, на побережье Северного Ледовитого океана, на Сахалин, Камчатку и в другие части обширного государства.

Зарождение лесоустройства и, следовательно, лесных съемок в нашей стране относится к началу XVIII в. В составленной по указу Петра 1 инструкции предписывалось делить лесные массивы на хозяйственные единицы, снимать и описывать их. Прежде всего имелись в виду ценные для строительства русского флота и продажи за границу так называемые корабельные леса, растущие по берегам рек. Разрозненные съемочные данные были сведены в рукописную карту лесов европейской части России лишь в 1840-1841 п. Первая печатная карта лесов, вошедшая в хозяйственно-статистический атлас Европейской России, появилась в 1851 г. Всесторонняя характеристика лесов европейской части нашей страны была дана в 1878 г. в специальном Лесохозяйственном статистическом атласе, содержащем 8 карт. К 1916 г. были приведены в известность (описаны) леса на площади 141 млн. га, преимущественно на севере страны, а сняты и устроены лишь на 39 млн. га.

До Великой Октябрьской социалистической революции изучали и использовали в основном леса, расположенные вблизи путей сообщения и промышленных центров, что приводило к огромному неоправданному истреблению лесных запасов. Съемочные работы часто велись полуинструментально,т.е.простейшими приборами и глазомерно, без надежного геодезического обоснования. Поэтому точность планов и составленных по ним карт была невысокой. Понимая это, видный ученый лесовод профессор М. М. Орлов высказал в 1916 г. мысль о необходимости повышения точности лесных съемок и привязки их К геодезической основе.

В первые же годы советской власти уделяется большое внимание развитию лесоустройства, геодезии и картографии. В предписании Совета Народных Комиссаров от 5 апреля 1918 г., подписанном В. И. Лениным, отмечалось, что все леса нужно привести в известность, описать и организовать в них хозяйство [

При поддержке Советского правительства лесоустройство получило широкий размах сразу после окончания гражданской войны. Вначале лесные площади устраивали с применением наземной съемки. Но уже в середине 20-х годов были начаты работы по аэрофотосъемке. Они позволили к 1945 г. привести в известность 400 млн. га лесов, главным образом в Сибири и на Дальнем Востоке. В первое послевоенное десятилетие (1945-1955 гг.) при помощи аэрофотосъемки было изучено 894,4 млн. га, что позволило издать в 1956 г. первую карту лесов СССР. В эти же годы стали использовать спектрозональные, а затем многозональные аэроснимки. В настоящее время усиленно развивается новое направление в изучении и картографировании лесов - космические съемки.

В нашей стране обследован и учтен весь лесной фонд. Материалы съемки и таксации леса, а также данные общего картографирования служат основой для составления лесных карт разного назначения.

 

РАЗДЕЛ 1 ПЛАНЫ И КАРТЫ, ОСНОВЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ

 

Тема 1.1 Изображение земной поверхности на планах и картах

 

1. Форма и размеры Земли

Чтобы изобразить участок поверхности Земли на чертеже, надо знать форму поверхности и размеры Земли, которые определяются, как общей фигурой Земли, так и характером рельефа данной местности. Общую фигуру Земли образует основная уровенная поверхность.

Поверхность, которая пересекает отвесные линии под прямым углом или на которой потенциал силы тяжести всюду одинаков, называют уровенной. Теоретически такая поверхность может быть образована около любой заданной точки (рис. 1.1). Однако для практических целей принимают за основную ту из них, которая совпадает с наибольшим числом точек земной и водной поверхности. Поверхность океанов и морей в спокойном состоянии отвечает этим условиям.

Фигуру Земли, образованную уровенной поверхностью, совпадающей с поверхностью Мирового океана в состоянии покоя и равновесия и продолженной под материками называют геоидом и принимают за общую фигуру Земли.

 

Размеры и форму Земли определяют несколько тысячелетий. Около 2500 лет назад Анаксимандр из Милета выдвинул предположение, что Земля - шар. В III в. до н. э. греческий ученый Эратосфен, считая Землю шаром, измерил длину части меридиана и получил данные, близкие к современным. Ньютон теоретически доказал, а специальные градусные измерения в XVIII в. подтвердили, что Земля - шар, приплюснутый вдоль оси вращения Земли.

 

Дальнейшее изучение геоида показало, что породы, слагающие недра Земли, имеют различные плотности', с различной силой действуют на отвес, изменяют направления силы тяжести и создают так называемые уклонения отвеса: направления сил тяжести отклоняются от теоретических. В уклонениях отвеса нет определенной закономерности, поэтому фигура геоида не выражена до сих пор математическими формулами. Ввиду этого при расчетах используют математически точную фигуру, близкую по форме к геоиду, эллипсоид вращения, который получают путем вращения эллипса PQ1PQ (рис. 2) вокруг его малой оси Р Р l' К настоящему времени размеры эллипсоида вычислены в нескольких странах. Вследствие недостаточного количества и качества данных, по которым вычислены размеры или параметры эллипсоидов, их используют для топографо-геодезических целей лишь на ограниченных пространствах и называют референц-эллипсоидами *.

 

Для территории Советского Союза с 1946 г. используют референц-эллипсоид, вычисленный к 1940 г. под руководством проф. Ф. Н. Красовского и проф. А. А. Изотова. Его размеры:

большая полуось а = 6378245 м;

малая полуось b = 6 356 863 м;

сжатие α = (а-Ь)/ а = 1:298,3.

В 1980-х гг. с помощью спутниковых измерений определены практически окончательные на данную эпоху размеры общего земного эллипсоида (его большая полуось) а =6 378 137 м, полярное сжатие α=1/298,257

 

В некоторых геодезических и картографических работах Землю 'приближенно принимают за шар с радиусом 6371 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Уровенная поверхность

ABC-поверхность геоида;

D1- Уровенная поверхность точки I

 

1.1.2 Изображение земной поверхности на сфере и на плоскости

       Все предметы, находящиеся на поверхности Земли, селения, леса, дороги, реки, линии связи, каналы и т. д. - В совокупности называют ситуацией. Поверхность Земли осложнена неровностями - холмами, западинами, оврагами, хребтами, увалами и т. д. Сочетание различных неровностей земной поверхности называют рельефом.

 

Чтобы составить план или карту участка местности, выполняют две операции: сначала проектируют рельеф и ситуацию местности на общую фигуру Земли, а затем по специально разработанным математическим правилам, которые называют картографическими проекЦиями, общую фигуру вместе с изобразившимися на ней элементами поверхности Земли проектируют на плоскость.

 

В случае значительной площади участка его поверхность нормалями проектируют на эллипсоид как общую фигуру Земли. Поскольку эллипсоид - математически известная фигура, для него разработан ряд картографических проекций, позволяющий фигуру на эллипсоиде с учетом определенных требований спроектировать на плоскость, а затем уменьшив её, получают карту.

 

Небольшие участки (22 х 22 км), размер которых позволяет принимать поверхность общей фигуры за плоскость, проектируют отвесными линиями на поверхность геоида (рис.1.3,б). Поскольку в этом случае отвесные линии практически параллельны и пересекают поверхность геоида под прямым углом, образуется горизонтальная проекция, или горизонтальное проложение участка местности. На рис.1.3,б точки К,М,N,F, лежащие на земной поверхности проецируют отвесными линиями на горизонтальную плоскость G, точки k,m,n,f и линии km, mn, nf,fk представляют собой горизонтальные проекции соответствующих точек и отрезков линий, а четырехугольник kmnf является горизонтальной проекцией четырехугольника KMNF поверхности Земли. Если фигуру kmnf, расположенную на горизонтальной плоскости, уменьшить и отобразить на бумаге в подобном виде, то получится план.

Длина проекции d прямого отрезка D=MA на горизонтальную плоскость (рис. 1.3,а) называется горизонтальным проложением. Угол ν – углом наклона.

   Для вычисления длины горизонтальной проекции ma (рис.1.3,а) измеряют длину линии местности АM = D и угол наклона этой линии ν. Тогда

                                                                  МА′ =mа = d = D cos ν           (1.1)

 

Расстояние по отвесной линии АA′ = На называют высотой точки А над уровенной поверхностью. Если поверхность Р совпадает с уровенной поверхностью геоида, расстояние Нa называют абсолютной высотой (альтитудой). Расстояние по отвесной линии от точки А до любой другой уровенной поверхности называют условной высотой

Разность высот двух точек А'А называют превышением h.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Рис. 1.3.б) Ортогональные проекции: проекция на· геоид как на плоскость

 

 

 

1.1.3  План, карта профиль

    Планом называют чертеж, на котором в уменьшенном и.подобном виде изображена горизонтальная проекция небольшого участка земной поверхности. Величину участка, изображаемого планом, ограничивают такими размерами, за пределами которых ошибка за общую кривизну Земли начинает оказывать заметное влияние на точность составления плана и вместе с неизбежными ошибками полевых измерений и нанесения точек на бумагу будет выходить за пределы допусков, определяемых инструкциями. Принято считать, что план можно составлять на территорию, не превышающую площади круга с радиусом 11 км.

 

Если на плане изображена только ситуация, его называют контурным. Если кроме ситуации на план нанесен и рельеф, такой план называют топографическим. Масштаб плана во всех точках одинаковый.

 

Картой называют чертеж, на котором по определенным математическим правилам с учетом кривизны общей фигуры Земли может быть изображена поверхность всей Земли или любой ее части в обобщенном и уменьшенном виде.

 

Составляемые карты можно различать по содержанию: сельскохозяйственные, мелиоративные, экономические и т. д. - это так называемые специальные карты, на них показывают контуры и специальную нагрузку. Карты, на которых кроме контуров ситуации изображен рельеф земной поверхности, называют общегеографическими. Такие карты, составляемые в крупных масштабах (от 1:1 000000 и крупнее, т.е. до 1:10000,

 

1:5000), называют топографическими, они  служат основой для составления  всех других карт. Теоретически  масштаб во всех точках карты  различен. Практически на топографических картах он всюду одинаков. Для обозначения предметов местности на карте разработаны условные знаки. Употребление одинаковых условных знаков обязательно для всех ведомств.