Геодезия

Геодезия, как и астрономия, — одна из древнейших наук, возникших из практической потребности человеческой цивилизации решать задачи землеразделения, установления границ земельных участков, определения их площадей, составления топографических планов и карт. Велика роль геодезии при решении навигационных задач, установлении единых систем координат, проектировании и строительстве инженерных сооружений.

Основы геодезии включают в себя:
Предмет геодезии и ее значение в жизни человеческого общества, исторический очерк развития геодезии. Большое внимание уделяется роли геодезии в практической жизни страны.
Форма и размер Земли. Описание методики первого в истории естествознания определения радиуса Земли в 240 г.
до н. э. греческим философом Эратосфеном. Основные понятия и определения геодезии, относящиеся к изучению формы Земли с древнейших времен до настоящего времени: шар, сфероид, геоид, квазигеоид, общий земной эллипсоид, референцэллипсоид, нормальная Земля.
Картографические проекции, позволяющие изобразить сферическую поверхность на плоскости, создавать карты различных масштабов физической поверхности Земли. С 1928 г. в нашей стране принята зональная равноугольная проекция Гаусса — Крюгера и зональная система прямоугольных координат. Ее сущность, ее преимущества и недостатки.
Ориентирование линий (направлений) на местности и на карте с использованием ориентирующих углов: азимутов, дирекционных углов и румбов. Связь между различными видами ориентирующих углов и связь между дирекционными углами предыдущей и последующей линий, которая применяется при камеральной обработке теодолитных и тахеометрических ходов.
Сведения о системах координат, применяемых в геодезии. Излагается сущность решения прямой и обратной геодезической задачи, оценка точности полученных невязок приращений координат, их увязке и вычислении прямоугольных координат вершин замкнутого теодолитного хода.
Изучение основ геодезии — важная часть дисциплины «Геодезия» — дает возможность заложить фундамент знаний для последующего усвоения многих геодезических дисциплин, сформировать интерес к будущей профессии.

Геодезия — наука об измерениях на земной поверхности. Другое определение: геодезия — наука об измерениях и изображении земной поверхности.
Геодезические измерения производятся различными специальными инструментами и приборами на поверхности Земли, в ее недрах, в приземном слое атмосферы, на море и в космосе. Поэтому в курсе геодезии уделяется большое внимание изучению теории, устройству и исследованию геодезических инструментов и приборов, изучению методов и техники производства измерений на земной поверхности. Такие измерения необходимы для изучения формы и размеров Земли и для составления планов и карт, представляющих собой условные изображения на бумаге, на экране компьютера как отдельных участков, так и всей планеты в целом.

Таким образом, можно дать следующее определение предмета геодезии:
Геодезия — наука, занимающаяся посредством измерений на местности определением фигуры и размеров Земли и изображением земной поверхности в виде планов и карт. Точнее, геодезия — прикладная математическая наука, которая изучает геометрические соотношения между элементами земной поверхности.

Геодезия также включает в себя съемочные и камеральные работы.

По существу, геодезические знания возникли и сформировались как знания о геометрии окружающего пространства и его объектов. Освоение человеком этого пространства проходило через его геометризацию. Успехи цивилизации явились в некоторой мере функцией успехов в области геометризации. Это вытекает из свойственного человеку пространственно-геометрического мышления, поэтому можно дать следующее определение: геодезия — система знаний и профессиональной деятельности по геометризации и координатизации. Рассмотрение истории геодезии с этих позиций объясняет и древнее происхождение геодезии, и неубывающую значимость геодезических знаний в обществе во все времена, у всех народов. Исследователи выделяют в истории человечества ряд революционных качественных переходов. Например, революцию в верхнем палеолите (появление кроманьонца) и в неолите (переход человека от сбора и добычи продуктов питания, одежды к их производству — земледелию и скотоводству). Эти революции связаны с прогрессом в области геометрических пространственных представлений и умений человека. В период собирательства ему нужно было ориентироваться на местности, знать пространственно-геометрическую структуру своего места обитания, уметь составлять какую-либо геометрическую модель своей ойкумены. Успехи в этой области подтверждаются примитивными схемами, картоподобными изображениями, нанесенными древними людьми на бивни мамонтов, стены пещер, поверхность Земли. Возраст таких изображений составляет десятки тысяч лет.

При переходе людей от собирательства к производству (земледелию) человеку потребовались качественно новые знания линии, плоскости, прямого угла, прямоугольника, окружности, отвесной линии, горизонта. Все это было необходимо для возведения на местности различных сооружений, деления земли на участки.
Таким образом, результатом второй революции явились абстрактные понятия о пространстве и практические навыки в измерениях объектов, составившие основу геометрии и геодезии. Так зародилась практическая геометрия (землемерие). Успехи в геометризации стали залогом успехов в эволюции и развитии общества.
Прогресс — это, по существу, преодоление трудностей через понимание и освоение геометрической сложности окружающего пространства. Развитие геометрических знаний позволило возводить сложные сооружения (дворцы, храмы), прокладывать каналы, предпринимать длительные географические путешествия.
Но прогресс — это также открытие зависимости разнообразных физических свойств объектов и процессов от геометрических свойств и наоборот. Наиболее яркий пример зависимости физического от геометрического — закон всемирного тяготения Ньютона и теория фигуры Земли.

Сначала геодезические измерения выполнялись в основном в двумерном пространстве, в трехмерном — с XVIII–XIX вв.,
а с середины XX в. по настоящее время геодезия стала применять свои метрические функции к измерению, контролю и моделированию структур в четырехмерном пространстве-времени. По мере расширения сферы обитания общество сталкивалось с новыми пространствами и геометриями: Земля как планета (XVI в.); шельфы, околоземное пространство (XX в.); неевклидовы геометрии; динамическая система «Земля — околоземное пространство». Последняя система — объект «новой геодезии».

Понятие пространства-времени было геометризовано Минковским. Эйнштейн отмечал, что пространственно-временные понятия фигурируют в «законах о природе» и в этом смысле все научное мышление геометрично. Кстати, еще Декарт писал, что представление физических явлений должно осуществляться посредством фигур и движений. Во второй половине XX в. было установлено, что пространство-время в общем случае описывается языком геометрии, и существуют взаимосвязь и взаимообусловленность физических явлений в пространстве-времени и их геометрии. Высказаны надежды полной геометризации физических явлений (Дж. Уиплер).

В геодезии измеряемыми величинами всегда были расстояние, превышение и угол. С их помощью определялась метрика
S-пространства, т. е. во всех случаях в конечном итоге измеряемой величиной являлась величина S. Остальное могло быть получено как производное от нее, т. е. как I = f (S). Следовательно, результатом геодезических измерений, обработки, моделирования были S и f (S), характеризующие геометрию окружающего пространства, его метрическую структуру, возможность его освоения. Таким образом, геодезия формировалась и совершенствовалась как наука о геометрии окружающего пространства, а в понимании специалистов — как прикладная часть геодезии.

Таким образом, с предметных позиций геодезию следовало бы определять или как науку о геометрии окружающего пространства, или как науку о пространственных отношениях и форме объектов окружающего мира и всего пространства в целом, или как науку, в которой решаются три главные задачи: определение пространственного положения объектов; определение формы и размеров объектов пространства и самого пространства; получение геометрических, аналитических и цифровых моделей пространства и моделирование этого пространства.
Наконец, еще одно определение: геодезия — система знаний и профессиональной деятельности по измерению, определению, контролю и моделированию геометрии окружающего пространства.
Геодезия — греческое слово (произошло от греческих слов гео — Земля и дазоман — делю), в переводе на русский язык означает «землеразделение».

Можно дать следующее общее определение предмета геодезии:
Геодезия — наука о методах и технике производства измерений на земной поверхности для определения фигуры и размеров Земли, изображения земной поверхности в виде планов, карт и ее вертикальных разрезов в виде профилей, решения разнообразных задач народного хозяйства и создания геодезических опорных сетей как основы для выполнения перечисленных задач.

С развитием человеческого общества, повышением уровня науки и техники меняется и содержание геодезии. Так, сравнительно недавно перед геодезической наукой была поставлена задача изучения геодезическими методами горизонтальных и вертикальных движений земной коры. Содержание геодезии за последнее время значительно расширилось в связи с запуском искусственных спутников Земли и космических ракет.
Задача определения фигуры и размеров Земли, изучения вертикальных и горизонтальных движений земной коры составляет предмет высшей геодезии.

Высшая геодезия изучает методы определения формы уровенных поверхностей и съемки больших участков земной поверхности посредством горизонтальной проекции и системы высот с учетом формы уровенных поверхностей. Вопросы, связанные с изображением небольших частей земной поверхности в виде планов, составляют предмет геодезии и топографии. Другими словами, к высшей геодезии относятся все способы измерений и вычислений, в которых учитывается непараллельность уровенных поверхностей и действительная кривизна земной поверхности. К геодезии, наоборот, относятся все способы измерений и вычислений, в которых не учитывается реальная кривизна земной поверхности
и за поверхность относимости принимается горизонтальная плоскость.

В конце XX в. и в первом десятилетии XXI в. в нашей стране в определении и понимании геодезии можно выделить три уровня:
1) геодезия как практическая геометрия (первая треть столетия и середина ХХ в.);
2) геодезия как наука о фигуре Земли (середина ХХ в.);
3) геодезия как наука о фигуре Земли и внешнем гравитационном поле (начало XXI в.).

Первый уровень понимания геодезии можно назвать классическим, он идет от древних греков и римлян. Кстати, еще в 1948 г. А. С. Чеботарев в своей двухтомной «Геодезии» определил ее как науку о землеизмерении.
Истоки второго уровня понимания геодезии связаны с научной революцией XVI–XVII вв., c именами Ньютона и Клеро, зало-
живших основы теоретической геодезии. В 30-е гг. XX в. в нашей стране сформировался комплекс проблем, относившихся к определению координат пунктов: введение системы прямоугольных координат Гаусса — Крюгера, определение отечественного референц-эллипсоида и введение референцной системы координат, получившей впоследствии название системы координат 1942 г. Ф. Н. Красовский отмечал: «…только с 1932 года начинается в наших основных астрономо-геодезических работах то надлежащее их развитие, которое отвечает в полной мере запросам в СССР к главной геодезической основе как со стороны практической, так и со стороны научной».

Источник третьего уровня понимания геодезии приходится на 30-е гг. XX в. Красовский писал: «К этому времени вопрос использования гравиметрических материалов в целях геодезических получил для нас особую остроту». В 1935 г. М. С. Молоденский разработал метод астрономо-гравиметрического нивелирования, первое практическое применение которого относят к 1939 г. В геодезию входит ряд новых понятий: квазигеоид, нормальная высота (1951) и др. По предложению Ф. Н. Красовского осуществляется переход к обработке геодезических сетей путем их редуцирования на эллипсоид по методу проектирования. В результате вполне четко стали понимать, что изучение фигуры Земли должно идти по линии совместного использования астрономо-геодезических и гравиметрических измерений. В литературе определение третьего типа сначала появилось применительно к высшей геодезии, а затем и к геодезии. У П. С. Закатова в его курсе «Выс-
шей геодезии» (1976) главная научная задача геодезии определена как изучение фигуры и внешнего гравитационного поля Земли.

Современное определение геодезии — наука об определении пространственного положения систем и объектов и об измерении их геометрических характеристик. В настоящее время понятие «геодезия» представляет собой цикл геодезических наук, который состоит из следующих дисциплин:

1) высшая геодезия;
2) геодезическая астрономия;
3) топография;
4) картография;
5) аэрофотогеодезия;
6) космическая геодезия;
7) геодезическая гравиметрия;
8) прикладная геодезия;
9) радиогеодезия;
10) геодезическое приборостроение.

Геодезия связана с многими науками: астрономией, космонавтикой, математикой, физикой, географией, геологией, техникой
и автоматикой и др. Найдется мало наук, которые не использовали бы графический и цифровой материал, получаемый геодезией.
Н. И. Лобачевский утверждал, что все, что существует в природе, подчинено необходимому условию быть измеряемым. Мы это видим на самом деле. Без геодезии не было бы добывающей промышленности, строительства, развития транспорта, без кадастровых съемок невозможно юридически обосновать права граждан на владение землей.

Высшая геодезия решает задачи по изучению фигуры и размеров Земли и других планет Солнечной системы, а также по созданию государственных геодезических сетей.
Геодезическая астрономия занимается определением исходных астрономических координат для опорных геодезических сетей на основе наблюдений небесных тел (главным образом, звезд).
Геодезия, или топография, изучает вопросы, связанные с топографической съемкой сравнительно небольших участков земной поверхности и их детальным изображением в виде планов и карт.
Изучение методов и процессов создания карт значительных территорий относится к картографии. Вопросы, связанные с по-
лучением планов и карт путем фотографирования с воздуха, составляют предмет аэрофотографии.
Прикладная (инженерная) геодезия занимается изучением методов геодезических работ, выполняемых при изысканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, монтаже оборудования, а также эксплуатации природных богатств страны.
Космическая (спутниковая) геодезия изучает геометрические соотношения между точками земной поверхности с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Геодезическая гравиметрия занимается изучением фигуры Земли и ее гравитационного поля путем измерения силы тяжести
в отдельных пунктах на земной поверхности.

Таким образом, основной задачей курса геодезии является изучение измерительных, вычислительных и графических методов, которыми пользуется геодезия при определении пространственных отношений между различными предметами и объектами, расположенными на незначительных частях физической поверхности Земли.

Современная геодезия представляет собой сложную многогранную науку, опирающуюся на последние достижения фундаментальных наук: высшей математики, физики, астрономии. В настоящее время сложно указать область знаний и практической деятельности человека, которые в той или иной мере не нуждались бы в услугах геодезии.
Геодезия нужна геологии, геофизике, геоботанике. Без нее не могут обойтись инженерные науки. Геодезия необходима для военного и морского дела.

Сама же геодезия нуждается в сведениях, относящихся ко многим научным дисциплинам: она опирается на математические дисциплины, знание физических процессов и явлений. Математика вооружает геодезию средствами анализа и методами обработки результатов измерений. На основе законов физики рассчитываются оптические приборы.
Геодезии нужна астрономия для определения положения точек на земной поверхности и ориентирования относительно сторон света. В настоящее время геодезия складывается как наука из ряда отдельных дисциплин, и в ней происходят революционные изменения. Начало этим преобразованиям положили спутниковые системы — высокоточные носители координат и времени. Сегодня функционируют спутниковые глобальные системы ГЛОНАСС (Россия) и Навстар (GPS, США) и др. Эти системы позволяют определять разности координат фиксированных пунктов с относительной погрешностью 1 • 10–6 от расстояния между ними и с погрешностью от сантиметров до 1–2 дм движущихся объектов относительно неподвижных объектов (пунктов). Особенности спутниковых систем (будущее геодезии) — высокая автоматизация и относительная автономность. Относительная автономность заключается в том, что не требуется последовательного развития геодезической сети с обеспечением взаимной видимости соседних пунктов для получения координат. Появится возможность в достаточно большом радиусе (десятки и сотни километров) определять взаимное положение двух или нескольких спутниковых приемников. При этом должна быть обеспечена прямая видимость с каждого пункта на необходимое созвездие спутников, т. е. налицо высокоточное, оперативное, автономное определение координат, что коренным образом меняет технологию геодезических работ. На территории нашей страны имеется около 350 000 геодезических пунктов 1–4-го класса, и для их сохранения, поддержания сети координат на современном уровне требуется периодическое обследование и восстановление.



Значение геодезии в народном хозяйстве нашей страны трудно переоценить. За последнее время произошли огромные изменения в развитии науки и техники, в том числе в развитии геодезии и картографии. Геодезисты одними из первых научно оценили и практически использовали ИСЗ (в результате появилось новое направление — космическая геодезия). Съемки из космоса положили начало космической картографии.
На Федеральную службу геодезии и картографии (ФСГК) была возложена задача обеспечения фотографических съемок из космоса и связанные с этим картографические работы. Не раз в сообщениях ТАСС рассказывалось о запусках искусственных спутников Земли серии «Космос», предназначенных для исследования природных ресурсов Земли в интересах различных отраслей народного хозяйства нашей страны и международного сотрудничества.

Поступающая со спутника информация обрабатывается и используется в основном для составления тематических карт, необходимых самым различным отраслям народного хозяйства и науки. По материалам космической съемки могут успешно картографироваться малообследованные и труднодоступные территории Памира, Крайнего Севера и Антарктиды.
Геодезические и картографические работы сейчас развиваются на основе широкого применения современных электронно-оптических свето- и радиодальномеров, электронных тахеометров, глобальных систем позиционирования, лазерного сканирования и других методов, и приборов, построенных с применением новейших технологий. Особенно широко внедрилась в практику работ электронно-вычислительная техника. Геодезические и фотограмметрические вычисления, основанные на использовании современных ЭВМ, достигли такого уровня, что теперь решаются задачи, которые еще недавно считались практически нереальными.
В настоящее время появились новые направления, имеющие важное научное и практическое значение, — это изучение деформаций земной коры геодезическими методами и картографирование шельфа.

Систематическое проведение высокоточных астрономо-геодезических (триангуляционных, трилатерационных, полигонометрических, спутниковых, нивелирных и гравиметрических) измерений и производство аэрокосмических съемок могут внести существенный вклад в развитие теории, а в будущем и в организацию прогноза землетрясений. Эта задача соответствует основному направлению современной геодезии, которая ставит целью измерение не только формы, размеров и гравитационного поля Земли, но и изменения их во времени. Чем выше информативность карт шельфа, тем больше их хозяйственная и научная ценность. Вопрос информативности карт шельфа является ключевым вопросом проблемы топографической съемки шельфа, изучения мирового океана и его ресурсов.
Для обеспечения непрерывного роста производительных сил страны необходимо изучать ее территорию в топографическом отношении. Эта задача успешно решается при помощи карт различных масштабов, создаваемых по результатам геодезических работ.
Геодезия играет важную роль при решении многих весьма ответственных задач, например, при изыскании, проектировании и строительстве гидротехнических сооружений (гидростанций, каналов), промышленных сооружений (заводов, фабрик, электростанций и пр.), железных дорог, городов и населенных пунктов, аэродромов, подземных сооружений (метрополитена, шахт кабельных линий, различных трубопроводов), линий электропередач, при землеустройстве, при лесоустройстве.

Монтаж уникального оборудования автоматических линий большого протяжения, мощных ускорителей ядерных частиц, радиотелескопов должен быть выполнен с весьма высокой точностью (10 ÷ 20 мкм) в плане и по высоте.
Опыт показывает, что такие задачи успешно решаются геодезическими методами. Велико значение геодезии в обороне страны.
Вся армия в целом нуждается в картах различных масштабов: по ним изучают местность, на которой предстоит действовать, на них изображаются боевые операции войск. Некоторые рода войск имеют в своем составе специальные геодезические подразделения. Таким образом, в настоящее время трудно указать область хозяйства нашей страны, в которой геодезия и геодезические расчеты не имели бы существенного значения.

Важнейшая роль принадлежит геодезии в составлении и ведении государственного земельного кадастра. Данные земельного кадастра необходимы для рационального использования земель и их охраны, регулирования земельных отношений между пользователями, планирования различных видов деятельности, обоснования размеров платы за землю и решения других задач.

Основы геодезии: учеб. пособие / Т. И. Левитская; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. —
2-е изд., перераб. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017.

В учебном пособии изложены общие сведения по геодезии. Показана связь геодезии с другими науками. Приведены исторические сведения о фигуре и размерах Земли. Изложена сущность картографических проекций. Особое внимание уделено ориентированию направлений на местности и на карте. Дано определение ориентирующих углов и связи между ними. Изложены вопросы определения положений точек местности на земной поверхности.
Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата первого курса, обучающихся по направлению подготовки «Геодезия и дистанционное зондирование», может быть рекомендовано также студентам-историкам и археологам, интересующимся вопросами геодезии.

Распечатать