Геодезия- наука о земле

Слайд #1

Основные понятия
Геодезия: наука о земле

Слайд #2

Геодезия — наука о производстве измерений на местности, о форме и размерах Земли, способах изображения ее и объектов на ней находящихся на планах, картах, фотопланах, а также в виде трехмерных и цифровых моделей. Геодезия возникла в глубокой древности в связи с потребностью выполнения строительных, сельскохозяйственных и др. работ. Геодезия имеет широкое применение в различных областях науки и производственной деятельности. В настоящее время значимость геодезии существенно возросла в связи с проведением высокотехнологичных работ требующих точной информации и широкого применения цифровых технологий.
Знание основ геодезии необходимо практически для всех специалистов, работающих с использованием точных метрических данных о земной поверхности и объектах производства работ, будь то архитектура или строительство, выполнение архитектурных, реставрационных, дизайнерских или других проектов.
Студентам, обучающимся по направлению подготовки (специальности) 25.02.08. – «Эксплуатация беспилотных авиационных систем» требуются комплексные знания различных разделов геодезии, основы которых будут рассмотрены далее.

Слайд #3

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:
высшая геодезия;
геодезическая астрономия;
топография;
картография;
аэрофотогеодезия;
космическая геодезия;
геодезическая гравиметрия;
прикладная геодезия;
радиогеодезия;
геодезическое приборостроение.

Слайд #4

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 получением планов и карт путем фотографирования с воздуха, составляют предмет аэрофотографии.

Слайд #5

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.
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.
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.

Слайд #6

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.

Слайд #7

Понятие о форме и размерах Земли.
Физическая поверхность Земли, состоящая из суши и водной поверхности, имеет сложную форму. Суша представляет сочетание низменностей и возвышений, высоты которых над уровнем моря достигают 8-9 км.
За математическую поверхность Земли принимают уровенную поверхность, которая представляет поверхность воды океанов в ее спокойном состоянии, мысленно продолженную под материки. В общем уровенная поверхность Земли не совпадает с поверхностью ни одной математической фигуры и представляет собой неправильную форму, которая называется геоидом.

Слайд #8

В 1946г. под руководством профессора Ф.Н.Красовского вычислены размеры земного эллипсоида; большая полуось а=6378245 м, малая полуось b=6356863 м.
Определение положения точек на земной поверхности. Положение точек на земной поверхности может быть определено в различных системах координат.
Системы географических и геодезических координат. Система географических координат является единой системой для всех точек Земли. При этом уровенная поверхность принимается за поверхность сферы. За начало отсчета в географической системе координат принимают начальный меридиан РМ0Р1, проходящий через центр Гринвичской обсерватории на окраине Лондона и плоскость экватора ЕQ .

Слайд #9

Угол φ, называемый географической широтой, отсчитывается от плоскости экватора к северу и к югу от 0 до 90˚. Широты точек, расположенных в северном полушарии, называют северными, а в южном – южными.
Угол λ, называемый географической долготой, отсчитывается от плоскости начального меридиана к востоку и западу от 0 до 180˚. Точки, расположенные восточнее начального меридиана, имеют восточные долготы, а западнее – западные.
Зональная система прямоугольных координат Гаусса. Чтобы установить связь между географическими координатами любой точки на плоскости, применяют способ проектирования поверхности земного шара на плоскость по частям, которые называются зонами.
В такой системе начало координат для всех зон принимается в точке пересечения осевого меридиана данной зоны с экватором. Координатными осями являются соответственно ось абсцисс и ось ординат.

Слайд #10

Абсциссы, отсчитываемые от экватора к северному полюсу, считаются положительными, на запад – отрицательными. Точка А1 будет иметь координаты: абсциссу ха и ординату уа.
Система прямоугольных координат. В геодезической практике часто положение точек определяют плоскими прямоугольными координатами. В этой системе плоскость координат совпадает с плоскостью горизонта в данной точке О, являющейся началом этих координат; ось х всегда направлена на север, а ось у – на восток. Северное направление оси абсцисс считается положительным (+), южное – отрицательным (-); направление оси ординат считается положительным на восток и отрицательным на запад.
Оси координат делят плоскость чертежа на четыре части, которые называются четвертями: I – СВ, II – ЮВ, III – ЮЗ, IV – СЗ.

Слайд #11

Полярная система координат. В полярной системе координат положение любой точки А на плоскости определяется радиусом-вектором r, исходящим из точки О, называемой полюсом, и углом β, отсчитываемым по ходу часовой стрелки от линии ОХ – полярной оси – до радиуса-вектора.
Абсолютные и условные высоты. Спроектируем точку А (рис. 6) физической поверхности Земли по направлению отвесной линии на уровенную поверхность. Высота НА этой точки, измеряемая от уровня моря, называется абсолютной, а Н', измеряемая от произвольной уровенной поверхности, - условной. Относительной высотой точки или превышением называется высота ее над другой точкой земной поверхности, она обозначается через h. Например, превышение точки А над точкой В составит hА = НА – НВ. Для определения высоты уровня моря на его берегу надежно закрепляют в вертикальном положении рейку с делениями – футшток и периодически фиксируют уровень моря относительно этой рейки.

Слайд #12

В РФ высоты точек физической поверхности Земли отсчитываются от нуля Кронштадского футштока (черта на медной доске, установленной в гранитном устое моста через Обводной канал в Кронштадте).
Числовые значения высот точек называют отметками.
Планом местности называется чертеж, представляющий собой уменьшенное и подобное изображение ее проекции на горизонтальную плоскость.
На плане длины линий, углы и площади контуров участков местности не искажаются, а степень уменьшения ее линейных элементов (масштаб изображения) постоянна для всех частей плана. Планы, на которых изображена только ситуация местности, называются ситуационными или контурными. Планы, на которых кроме предметов местности изображен еще и рельеф, называют топографическими.
Картой называется построенное по определенным математическим законам уменьшенное обобщенное изображение на плоскости всей Земли или значительных ее частей с учетом кривизны уровенной поверхности.
Карты в зависимости от масштабов условно делят на крупномасштабные – 1:100000 и крупнее, среднемасштабные – от 1:200000 до 1:1000000, мелкомасштабные – мельче 1:1000000.
При выполнении геодезических работ, входящих в комплекс строительно-монтажного производства, для составления планов применяют масштабы 1:200, 1:500, 1: 000, 1:2000, 1:5000.
Профилем местности называется изображенное в уменьшенном виде сечение вертикальной плоскостью поверхности Земли по заданному направлению. Профили местности используют для строительства и монтажа надземных и подземных инженерных сооружений и сетей.
Топографические планы применяют в основном для строительного проектирования. На таком плане изображают весь комплекс подземных и надземных сооружений. В зависимости от размеров и назначения строительства его рабочий проект составляют в масштабе 1:500 – 1:1000, на отдельные объекты в зависимости от их сложности – в масштабе 1:200 и крупнее.

Слайд #13

Масштабом называется отношение длин линии на плане (профиле) к соответствующей проекции этой линии на местности. Следовательно, масштаб есть число отвлеченное – правильная дробь. Для удобства пользования и сравнения все масштабы имеют однообразный вид: числителем дроби всегда является единица; при этом знаменатель непосредственно выражает степень уменьшения
Численный масштаб – масштаб, где числитель выражен единицей.
S0 / S = 1 / S:S0 = 1/М
В формуле М – знаменатель численного масштаба, который показывает, во сколько раз были уменьшены проложения линий местности при изображении их на плане.
При сравнении двух масштабов более крупным называют тот, у которого знаменатель меньше. Естественно, чем крупнее масштаб, тем больше подробностей может быть изображено на плане или карте. Планы, на которых должно быть показано больше подробностей, следует составлять в более крупном масштабе.
Линейный масштаб. Линейный масштаб строят следующим образом. На прямой АВ откладывают равные между собой отрезки, называемые основанием масштаба. Обычно длину принимают равной 1 или 2см.

Слайд #14

Поскольку наименьшее расстояние, различимое глазом, равно 0,1 мм, то, следовательно, пользуясь линейным масштабом, можно определять расстояния только в пределах до 0,1мм. Эта величина (0,1мм) и является графической предельной точностью линейного масштаба. Для планов и карт, имеющих численный масштаб 1:500, 1:1000, 1:5000, 1:10 000 и т. д., графическая предельная точность масштаба соответственно равна 0,05; 0,1; 0,5 и 1,0м. Это значит, что отрезки линий, меньше указанных, не могут быть выражены на плане или карте данного масштаба.
Для более точного построения плана или определения длин отрезков пользуются поперечным масштабом
За основание такого масштаба обычно принимают отрезок АВ=2см и делят его на 10 равных частей. Для этого под произвольным углом к основанию проводят прямую AF и на ней от точки А откладывают 10 произвольных, но равных частей; соединив точки В и F, проводят через все точки линии AF прямые, параллельные ВF, которые и разделят основание на 10 равных частей. Далее, на линии АС, перпендикулярной АВ откладывают 10 произвольных, но равных между собой отрезков и через полученные точки проводят линии, параллельные АВ. Отрезки между наклонными линиями, параллельными BE, равны десятым долям основания АВ, т. е. ED=АВ/10.
Отрезки, заключенные между перпендикуляром BD и наклонной BE, равны сотым долям основания, т. е. t=ЕD/10=АВ/10*10=АВ/100. Такой масштаб называют еще нормальным поперечным масштабом.

Слайд #15

Условные знаки.
Весьма важным вопросом для успешного использования карт и планов является вопрос о способах изображения на них различных качественных характеристик предметов местности.
Чтобы сделать карту достаточно наглядной и удобной, применяют систему топографических условных знаков. В этой системе для каждого предмета местности или группы однородных предметов устанавливается особое графическое изображение — знак. Из отдельных топографических условных знаков, расставленных на карте, графическим путем создается картина местности.
Из этого следует, что знание топографических условных знаков необходимо как для правильного их применения при создании карты, так и для успешного изучения местности по карте. Отметим, что уяснение по карте характера местности и расположения на ней тех или иных объектов называют чтением карты. Изображение местности топографическими условными знаками, называемое картографическим изображением.

Слайд #16

Условные знаки должны позволять легко читать карту, т. е. давать ясное представление о выраженной ими местности. для этого они должны быть по возможности наглядными (напоминать характер изображаемых предметов) и стандартными для всех топографических карт.
Условные знаки можно разделить на следующие группы: масштабные, внемасштабные, линейные, площадные и пояснительные.
Масштабные условные знаки служат для изображения местных предметов, выражающихся в масштабе карты или имеющих четкие границы, при этом на карте сохраняется сходство контуров (очертаний, границ) изображающихся предметов и их ориентировка. Например: загон 1, пасека 2, отдельно стоящий сарай 3, отдельно стоящий двор 4. Контур таких объектов на карте вычерчивается тонкой сплошной линией или показывается пунктиром.

Слайд #17

Внемасштабные условные знаки служат для показа местных предметов, не изображающихся в масштабе карты. По этим условным знакам невозможно судить о размерах соответствующих местных предметов. Определенная точка в каждом из этих знаков соответствует положению предмета на местности. У некоторых условных знаков эта точка располагается в центре знака (пункты триангуляции, склады горючего, колодцы, заводы и фабрики без труб и др. — 6, 7, 9). У других знаков — в середине основания (ветряные мельницы, деревянные и каменные, памятники и др.), в вершине прямого угла в основании знака (километровые столбы, указатели дорог, ветряные двигатели и др. — 8, в центре нижней части знака (заводы с трубами, радиомачты, постройки башенного типа и др. — 5.



Линейные условные знаки служат для показа объектов местности, имеющих большую протяженность и небольшую ширину, как выражающихся в масштабе карты (широкие реки), так и не выражающихся в масштабе (ручьи, тропинки, проселочные дороги, линии электропередач и т.д.). Ширина таких условных знаков на карте выражена, как правило, вне масштаба, однако положению данных объектов местности соответствует продольная ось условного знака. Например: ручей в овраге — 10; грунтовая дорога —11; линия электропередачи — 12.

Слайд #18

Площадные условные знаки служат для отображения однородных объектов, покрывающих большие участки земной поверхности (болота – 13, леса – 14, кустарники – 15, пашни, озера – 16 и т.д.), границы которых можно установить.


Контур таких объектов на карте вычерчивается точечным пунктиром и заполняется значками или отмывкой определенного цвета, отличающими его от других местных предметов. Порядок расположения заполняющих значков и отмывок строго определен и регламентируется ГОСТом на условные знаки соответствующих масштабов.
Пояснительные условные знаки служат для дополнительной характеристики изображаемых на карте местных предметов. Например, длина, ширина и грузоподъемность мостов; ширина и характер покрытия дорог, число дворов в населенных пунктах, глубина и характер грунта брода, направление и скорость течения рек, знаки пород леса средняя высота и толщина деревьев в лесу и т. д. Различные надписи на картах также носят характер пояснительных знаков; каждая из них делается установленным шрифтом и буквами определенного размера. Например: 17— характеристика моста: длина 15 м, ширина 5 м, грузоподъемность 10 т. 18— характеристика отдельно лежащего камня: высота камня 2 м, камень лежит на отметке 144,9 м. 19— характеристика леса: основные породы деревьев – сосна и береза; средняя высота деревьев – 20 м; среднее расстояние между деревьями – 5 м, средний диаметр деревьев – 0.20 м.

Слайд #19

Топографические карты издают многокрасочными: объекты гидрографии (реки, озера) закрашивают голубым цветом, растительность – зеленым, элементы рельефа изображаются коричневым цветом и т.д., что значительно облегчает чтение карты.
Неровности земной поверхности, называемые рельефом, показываются на топографических картах горизонталями - линиями равных высот. Горизонтали показаны коричневым цветом и далее о них будет рассказано более подробно. Отдельные части рельефа, крутизна которых больше 45°, горизонталями на картах не изображают, их выражают специально установленными условными знаками. Так, склоны обрывистых оврагов изображают коричневыми зубчиками, рядом подписывается высота обрыва.
Кроме того, горизонталями не могут быть выражены некоторые другие детали рельефа, например: курганы, ямы, камни, карстовые воронки и пр. Указанные элементы рельефа изображают установленными внемасштабными условными знаками.