ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ГЕОДЕЗИИ. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Тришина И.П.
ОСНОВЫ ГЕОДЕЗИИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
по темам 1.6–1.8 МДК.03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения»
ПМ.03 «Картографо-геодезическое сопровождение земельно-имущественных отношений»
для студентов специальности СПО 21.02.05 «Земельно-имущественные отношения»
Санкт-Петербург, 2016
Организация-разработчик: Санкт-Петербургское государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Колледж «Императорский Александровский лицей»
Учебное пособие по темам 1.6-1.8 МДК.03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения» ПМ.06 «Управление проектами в сфере земельно-имущественных отношений» рассмотрено методическим советом колледжа и рекомендовано для использования в учебном процессе – протокол № 1 от 29.08.2016.
Методист колледжа А.Ф. Жмайло
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ.. 3
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА.. 5
1.6. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ГЕОДЕЗИИ. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.. 6
1.6.1. Понятие о геодезии. 6
1.6.2. История развития геодезии. 8
1.6.3. Форма земли. 10
1.6.4. Системы координат, применяемые в геодезии. 11
1.6.5. Изображение земной поверхности на плоскости (план, карта, профиль) 14
1.6.6. Масштабы изображения на плоскости. 14
1.6.7. Условные знаки на планах, картах. 16
1.6.8. Назначение карт, их масштабы.. 17
1.6.9. Оформление листа топографической карты.. 18
1.7. ОРИЕНТИРОВАНИЕ НА МЕСТНОСТИ.. 22
1.7.1. Азимуты, румбы, дирекционные углы и зависимости между ними. 22
1.7.2. Рельеф земной поверхности и его изображение. 25
1.7.3.Измерения и построения в геодезии. 27
1.7.4. Основные геодезические способы построения. 28
1.7.5. Картографические проекции. Система плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера 30
1.8. ТЕОДОЛИТЫ, НИВЕЛИРЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ. ПОВЕРКИ И ЮСТИРОВКИ.. 33
1.8.1. Измерение горизонтальных углов. 33
1.8.2. Теодолитные ходы.. 35
1.8.3. Нивелирование. 37
1.8.4. Погрешности и их виды.. 39
1.9. ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ КАРТЫ, ИЗМЕРЕНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ НА НИХ.. 41
1.9.1. Наука «картография»: общее понятие и структура. Теоретические концепции в картографии 41
1.9.2. Понятия о карте и плане. Классификация карт. Планы городов и специальные карты Характеристика топографических карт и их назначение. 42
1.9.3. Элементы и свойства карт. Характеристики карты. Условные знаки и оформление карт. 43
1.9.4. Математическая основа карт и классификация картографических проекций. 44
1.9.5. Рельеф местности. Изображение различных форм рельефа на топографических картах. 46
1.9.6. Разграфка и номенклатура карт. Подбор, истребование и подготовка карт к работе. 47
1.9.7. Измерение расстояний и площадей по карте. 48
1.9.8. Системы координат на топографических картах: прямоугольные, географические, полярные, биполярные. 50
1.9.9. Ориентирование карты по направлениям. Способы измерения дирекционного угла по топографической карте. 51
1.9.10. Уклон местности. Направление и крутизна ската. 52
1.9.11. Картограммы.. 54
1.9.12. Надписи на географических картах. 55
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ.. 57
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
МДК.03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения» – составная часть профессионального модуля ПМ.03 «Картографо-геодезическое сопровождение земельно-имущественных отношений», являющегося обязательным профессиональным модулем, предусмотренным требованиями ФГОС для подготовки специалистов среднего профессионального образования по специальности 120714 «Земельно-имущественные отношения» (являющегося вариативной частью программы подготовки специалистов среднего звена специальности 120714 «Земельно-имущественные отношения»).
Специфика МДК. 03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения» обусловлена его практической направленностью. Целью МДК является, в первую очередь, формирование и развитие у студентов умений чтения топографических и тематических карт и планов, проведения линейных и угловых измерений геодезическими приборами.
Программой ПМ.03 «Картографо-геодезическое сопровождение земельно-имущественных отношений» предусмотрено проведение теоретических и практических занятий, выполнение самостоятельной работы. Основой для проведения практических и самостоятельных работ являются теоретические занятия, представленные в данном пособие по МДК.03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения».
Учебное пособие содержит основные темы, включенные в рабочую программу ПМ.03.
Учебное пособие предназначено для студентов колледжа, изучающих МДК.03.01 «Геодезия с основами картографии и картографического черчения».
Пособие можно использовать на учебных занятиях для выполнения отдельных заданий преподавателя, для самостоятельного изучения отдельных тем или для подготовки к экзамену или зачету.
Пособие построено в соответствии с требованиями к уровню подготовленности лиц, обучающихся по данной специальностям, и призвано помочь будущим специалистам выработать умения и навыки работы с картографическими материалами и геодезическим оборудованием.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ГЕОДЕЗИИ. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Понятие о геодезии
Геодезия –одна из древнейших наук.Слово«геодезия»образовано из двух слов– «земля»и «разделяю», а сама наука возникла как результат практической деятельности человека по установлению границ земельных участков, строительству оросительных каналов, осушению земель. Современная геодезия – многогранная наука, решающая сложные научные и практические задачи. Это наука об определении формы и размеров Земли, об измерениях на земной поверхности для отображения ее на планах и картах, а также для создания различных инженерных сооружений. Задачи геодезии решаются на основе измерений, выполняемых геодезическими инструментами и приборами. В геодезии используют положения математики, физики, астрономии, картографии, географии и других научных дисциплин.
Геодезия подразделяется на высшую геодезию, геодезию, космическую и спутниковую геодезию, радиогеодезию, картографию и топографию, фотограмметрию и инженерную (прикладную) геодезию. Каждый из этих разделов имеет свой предмет изучения, свои задачи и методы их решения, т.е. является самостоятельной научно-технической дисциплиной.
Высшая геодезияизучает фигуру и размеры Земли,ее внешнего гравитационного поля(значения и направления силы тяжести в окружающем Землю пространстве и на ее поверхности), взаимного положения на ней точек, значительно удаленных друг от друга, и их точного изображения на плоскости в проекции, учитывающей возникающие при этом искажения.
Геодезиязанимается изучением в геометрическом отношении формы и размеровотдельных участков земной поверхности для изображения их на картах, планах и профилях.
Радиогеодезиязанимается измерением расстояний на Земле с помощью радио-исветодальномеров.
Космическая геодезияизучает методы определения взаимного положения точек на Земле,размеров и ее вида, параметров ее гравитационного поля на основе наблюдений солнечных затмений и покрытий звезд Луной, фотографирования Луны на фоне звезд, баллонов с источником света, поднимаемых на высоту 20 – 30 км, и искусственных спутников Земли (ИСЗ), а также расстояний до ИСЗ.
Спутниковая геодезиярассматривает теорию и методы решения научных и практическихзадач геодезии по результатам наблюдений ИСЗ и других космических объектов.
Картография и топографиярассматривают способы изучения земной поверхности,разрабатывают методы и процессы создания и использования различных карт и планов, всесторонне изучают их.
Фотограмметриярешает задачи измерений по аэрофото-и космическим снимкам дляразличных целей, например для получения карт и планов, обмеров зданий и сооружений и т.п.
Инженерная геодезияизучает методы геодезического обеспечения,применяемые приизысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных зданий и сооружений, монтаже технологического оборудования, а также при изучении, освоении и охране природных ресурсов.
Несмотря на многообразие инженерных сооружений, при их проектировании и возведении решаются следующие общие задачи: получение геодезических данных при разработке проектов строительства сооружений (инженерно-геодезические изыскания); определение на местности основных осей и границ сооружений в соответствии с проектом строительства (разбивочные работы); обеспечение в процессе строительства геометрических форм и размеров элементов сооружения в соответствии с его проектом, геометрических условий установки и наладки технологического оборудования; определение отклонений геометрической формы и размеров возведенного сооружения от проектных (исполнительные съемки); изучение деформаций (смещений) земной поверхности под сооружением, самого сооружения или его частей под воздействием природных факторов и в результате действия человека.
Для решения каждой из указанных задач применительно к разным видам сооружений существуют свои методы, средства и требования к точности их выполнения. Например, при инженерно-геодезических изысканиях в основном производят измерения для составления карт и планов, на которых изображают то, что есть на местности, а при строительстве здания, наоборот, определяют на местности то место, где здание должно располагаться по проекту. Конструкции здания устанавливают на предусмотренные проектом места с погрешностью 5 – 10 мм, детали заводского конвейера – 1 – 2 мм, а оборудование физических лабораторий (ускорителей ядерных частиц) – 0,2 – 0,5 мм.
Инженерная геодезия тесно связана с другими геодезическими дисциплинами и использует методы измерений и приборы, предназначенные для общегеодезических целей. В то же время для геодезического обеспечения строительно-монтажных работ, наблюдений за деформациями сооружений и других подобных работ применяют свои приемы и методы измерений, используют специальную измерительную технику, лазерные приборы и автоматизированные системы.
В геодезии широко используют достижения физики и математики, астрономии, радиоэлектроники, механики, геоморфологии и др.; при вычерчивании планов и профилей – топографическое черчение, а при обработке и оценке результатов измерений – математические методы и средства вычислительной техники.
Роль геодезии в народном хозяйстве и обороне страны.На протяжении сотен летрусская геодезическая наука развивалась самобытным путем и имела огромное научное и практическое значение в самых различных сферах народного хозяйства. Особенно значительна роль геодезии при картографировании страны, изучении ее географии и геологии, при изыскании, проектировании, постройке и эксплуатации железных дорог и других сооружений. С ростом и развитием индустриализации всех видов строительства роль геодезических работ повышается.
Исключительно важное значение геодезия имеет в деле обороны страны. Карты используют при разработке стратегических планов и проведении военных операций.
История развития геодезии
Археологические раскопки подтверждают, что истоки геодезических знаний теряются в глубокой древности. Они на протяжении всей истории совершенствовались с развитием производства и потребностями общества. Из Египта геодезические работы перешли в Грецию, потом в Древний Рим, где получили теоретическое обоснование и начало геодезии как науки.
К глубокой древности относится и начало геодезических работ в России. Так, в 1792 г. вблизи Тамани была обнаружена мраморная плита, на которой древнерусскими буквами высечена надпись: «В лето 6576 Глеб князь мерил морем по льду от Тмутараканя до Корчева 14 тысяч сажен». Этот памятник свидетельствует о высокой культуре Древней Руси, где в 1068 г. уже проводились геодезические работы, в результате которых через Керченский пролив по льду было определено расстояние между Таманью (Тмутаракань) и Керчью (Корчев).
Начало отечественной картографии относится к концу ХV в., когда был составлен «Чертеж московских земель». В 1598 г. была составлена карта всего Московского государства, называемая «Большой чертеж».
Первые инструментальные съемки для картографирования России были начаты в 1720 г., позволившие уже в 1734 г. издать первый «Атлас Всероссийской империи». В развитии геодезических и картографических работ в России большая роль принадлежит Географическому департаменту, крупнейшей работой которого явился изданный в 1745 г. первый полный «Атлас Российский».
Общий объем геодезических и картографических работ в стране к ХХ в. был значительным, но не соответствовал даже крайне низкому уровню развития производительных сил дореволюционной России.
Новая эпоха в развитии геодезии наступила после Великой Октябрьской социалистической революции. 15 марта 1919 г. В.И. Ленин подписал Декрет Совнаркома РСФСР о создании Государственной картографо-геодезической службы – Высшего геодезического управления (ВГУ), теперь это Главное управление геодезии и картографии (ГУГК). Цели и задачи создания ВГУ – изучение территории РСФСР в топографическом отношении, в целях поднятия и развития производительных сил страны, экономии технических сил, денежных средств и времени.
Картографо-геодезическая служба СССР, способствующая изучению и развитию производительных сил страны, выполнила огромную работу по обеспечению народного хозяйства топографо-геодезическими и картографическими материалами и геодезическому обслуживанию строительных объектов. За сравнительно короткий срок территория СССР была покрыта плановой и высотной геодезической опорной сетью, которая по своим масштабам, стройности построения,
однородности и точности является лучшей в мире; созданы крупнейшие картографические произведения, имеющие мировое значение.
В 1940 – 1945 гг. была создана государственная карта СССР в масштабе 1: 1 000 000. К концу 1945 г. завершились работы по созданию топографической карты масштаба 1: 100 000 на всю территорию СССР. Создание такой карты позволило предварительно выбирать трассы вновь строящихся дорог, что позволило значительно экономить средства на геодезические работы при их изысканиях.
В настоящее время созданы топографические карты крупного масштаба и высокоточные опорные геодезические сети, обеспечивающие при дальнейшем их сгущении топографические съемки всех масштабов. При выполнении топографо-геодезических работ широко внедряется новая техника и технология, изменяется организация этих работ.
При съемке и обработке результатов геодезических измерений используется современная техника (мощные ЭВМ, радио- и светодальномеры, электронные тахеометры и теодолиты, лазерные рулетки, GPS).
Форма земли
Мысль о том, что Земля имеет форму шара, впервые высказал в VI в. до н.э. древнегреческий ученый Пифагор, а доказал это и определил радиус Земли египетский математик и географ Эратосфен (III в. до н.э.). Впоследствии ученые уточнили, что Земля сплюснута у полюсов. Такая фигура в математике называется эллипсоидом вращения, она получается от вращения эллипса вокруг малой оси. В земном эллипсоиде полярная ось меньше экваториальной.
Земля не является правильным геометрическим телом – ее поверхность представляет собой сочетание возвышенностей и углублений. Большая часть углублений заполнена водой океанов и морей (71% поверхности Земли).
За математическую поверхность Земли принимают ее уровенную поверхность, в каждой точке которой нормаль к ней совпадает с направлением отвесной линии, т.е. направлением силы тяжести. Такого рода поверхность образует поверхность жидкости под влиянием силы тяжести. Уровенных поверхностей, огибающих Землю, можно вообразить бесчисленное множество. Та из них, которая совпадает со средним уровнем океана в момент полного равновесия всей находящейся в нем массы воды, принята за основную, представляющую собой общую математическую фигуру Земли.
Небольшой участок земной поверхности практически можно принять за участок горизонтальной плоскости, участок большей величины – за часть сферы, крупный участок следует считать поверхностью сжатого эллипсоида вращения, но в целом уровенная поверхность Земли не совпадает с поверхностью ни одной математической фигуры. Поэтому тело, образованное уровенной поверхностью Земли, получило название геоид (от греч. ge – Земля, eido - вид).
Казалось бы, геоид наилучшим образом определяет математическую фигуру Земли, т.к. в каждой точке его поверхности существует одно вполне определенное направление – отвесная линия, составляющая с касательной прямой угол. Однако из-за неравномерного распределения масс внутри Земли поверхность геоида имеет сложную, неправильную форму. Поэтому за математическую фигуру для Земли принимают эллипсоид вращения, наиболее приближенный к геоиду. Земной эллипсоид соответствующим образом мысленно располагают (ориентируют) в теле Земли.
Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления системы геодезических координат, называют референц-эллипсоидом.
В нашей стране размеры референц-эллипсоида были получены под руководством выдающегося геодезиста Ф.Н. Красовского. Эти размеры утверждены для использования в работах по высшей геодезии и картографии. Референц–эллипсоиду присвоено имя Красовского. Размеры референц-эллипсоида: большая полуось а = 6 378 245 м, малая полуось b = 6 356 863 м, полярное сжатие α = (а - b)/а = 1/298,3.
В инженерной геодезии и работах по топографии условно считают, что Земля имеет форму
шара, объем которого равен объему земного эллипсоида, радиус шара R = 6 371,11 км.