Понятия о форме и размерах Земли
Наша Земля близка по форме к сфероиду вращения, но ввиду неравномерностей она не может быть телом строгой математической формы.
Различают:
1) действительную (физическую) фигуру Земли, ограниченную реальной физической поверхностью Земли;
2) фигуру Земли, ограниченную основной уровенной поверхностью, называемую геоидом.
Уровенная поверхность – это замкнутая поверхность, которая получается путем продолжения поверхности океанов под материками в спокойном состоянии, и которая в каждой своей точке перпендикулярна к направлению действия силы тяжести. Такая поверхность называют основной уровенной поверхностью или поверхностью геоида.
Поверхность геоида всюду выпукла. Направления силы тяжести не пересекаются в центре Земли, так как горные породы разной плотности расположены в земле неравномерно. Вследствие этого фигура геоида весьма сложна и зависит от внутреннего строения Земли. Выясним это на следующем примере;
Пусть в верхних слоях литосферы расположено некоторое физическое тело Т (рис. 1), имеющее большую плотность, чем окружающие его горные породы. Под действием избыточного напряжения тела Т отвесные линии в точках С и С’ окажутся смещенными в направлении к телу Т, поэтому уровенная поверхность пройдет не по дуге ВКД, а по кривой BNД и не будет совпадать с уровнем Мирового океана.
В свое время задача определения фигуры Земли формировалась как задача определения фигуры геоида. Однако выяснилось, что точное определение фигуры геоида является трудноосуществимой задачей и в настоящее время являющейся, пока нерешенной, т. к. распределение плотностей в теле Земли с достаточной полной пока неизвестно.
Основные задачи учебной дисциплины
Геодезия (греч. Jeodaisia, от ge- Земля, и daio – делю, разделяю) – наука о методах определения формы, размеров и гравитационного поля Земли и о методах измерений на земной поверхности для отображения ее на планах и картах, а также для проведения различных инженерных мероприятий.
По условию производства работ геодезия разделяется на:
Наземную геодезию, (где геодезический измерительный процесс выполняется на поверхности Земли);
Аэрогеодезию, предусматривающую преобразование и измерений изображений местности, полученных с воздуха;
Космическую геодезию, где рассматриваются, преобразуются и измеряются изображения Земли и ее частей, полученных из космоса;
Подземную геодезию (маркшейдерию) – включает специальные виды геодезических работ, проводимых под землей;
Подводную геодезию (морская геодезия) – занимается изучением методов и приборов, необходимых для создания планов и карт дна морей и океанов.
Отрасли геодезии:
- высшая геодезия;
- картография;
- топография;
- инженерная геодезия;
- прикладная геодезия.
Высшая геодезия решает задачу определения фигуры и размеров Земли, ее внешнего гравитационного поля, а также вопросы создания высокоточных геодезических опорных сетей.
Картография занимается изучением методов и процессов создания сплошных изображений значительных территорий земной поверхности в виде карт или специальных моделей местности.
Топография изучает вопросы, связанные с изображением сравнительно небольших частей земной поверхности в виде планов, профилей, фотопланов.
Инженерная геодезия занимается применением геодезических методов и техники для изысканий и строительства новых или реконструкции и эксплуатации существующих инженерных сооружений, а также для установки и монтажа сложного оборудования промышленных предприятий и научных сооружений.
Понятие о координатной поверхности
Расхождения между поверхностями референц-эллипсоида и геоида (квазигеоида) достигают в отдельных местах 150 м, а высота точек земной поверхности относительно референц-эллипсоида – сотен и тысяч метров.
Поэтому при математической обработке геодезических измерений просто «заменить» земную поверхность поверхностью эллипсоида нельзя.
Необходимо результаты измерений, выполненных на земной поверхности, предварительно спроектировать на поверхность референц-эллипсоида путем введения соответствующих поправок за переход от одной поверхности к другой.
Отнесенные таким образом на поверхность референц-эллипсоида величины уже можно подвергать строгой математической обработке. Поэтому поверхность референц-эллипсоида называют поверхностью относимости. Она служит координатной поверхностью, на которой решаются геодезические задачи.
В первом приближении фигуру Земли принимают за шар, равный по объему земному эллипсоиду. Для референц-эллипсоида Красовского радиус равновеликого шара равен 6371,11 км. В этом случае поверхностью относитмости или координатной поверхностью будет поверхность шара (сферы).
При изучении физической земной поверхности принимают, что ее точки А, В, С и т. д. проектируются отвесными линиями на уровенную (референц – эллипсоид) поверхность MN (рис. 2), на которой при этом получаются точки а, в, с, называемые горизонтальными проекциями соответствующих точек физической земной поверхности.
Чтобы привести сферическую уровенную поверхность вместе с изображенными на ней горизонтальными проекциями объектов физической поверхности Земли в плоское изображение, используют специальные картографические проекции.
Система координат и высот, применяемая в геодезии
Координаты – параметры, характеризующие положение точки на поверхности или в пространстве.
В геодезии применяются географические, прямоугольные и полярные координаты.
Геодезическая система координат
В этой системе в качестве координатных плоскостей принимаются плоскость экватора земного эллипсоида и плоскость меридиана, принятого за начальный (рис.4).
Р Р1- ось вращения Земли;
Р А0 Р1 – плоскость начального меридиана;
Е А0 Е1- плоскость экватора.
За начальный меридиан принят меридиан, проходящий через Гринвич на окраине Лондона.
Плоскость геодезического меридиана – плоскость, проходящая через нормаль к поверхности земного эллипсоида в данной точке, параллельную его малой оси.
Плоскость экватора проходит через центр эллипсоида О перпендикулярно его оси вращения Р Р1.
Геодезические координаты:
– геодезическая широта В,
– геодезическая долгота L,
– геодезическая высота Н.
Геодезическая широта (В) – угол, образованный нормалью к поверхности земного эллипсоида в данной точке А и плоскостью экватора. Счет широт идет в обе стороны от экватора от 00 до 900, причем на север – со знаком «+», на юг – со знаком «-».
Геодезическая долгота (L) – двухгранный угол между плоскостями геодезического меридиана данной точки А и начального геодезического меридиана. Счет долгот идет в направлении с запада на восток 00 до 3600.
Геодезической высотой точки (Н) называется расстояние по нормали от этой точки до ее проекции на поверхность эллипсоида.
Планы и карты в геодезии
Топографическим планом называют уменьшенное и подобное изображение бумаге горизонтальных проекций контуров и форм местности без учета сферичности Земли.
Планы, составленные без изображения рельефа, называются ситуационными, или контурными. Планы бывают 1: 5000; 1: 2000; 1: 1000 и 1:500 масштабов.
Картой называется уменьшенное и построенное по определенным математическим законам изображение значительных участков Земли на плоскости. По масштабу карты бывают:
- крупномасштабные 1:100000 и крупные;
- среднемасштабные 1:200000; 1:1000000;
- мелкомасштабные 1:10000000 и мельче.
Требования предъявляемые к топокартам:
- возможная полнота (не затрудняющая, однако, чтение карт и пользования ими);
- точность изображения ситуации и рельефа соответственно масштабу карты;
- географическое соответствие и правдоподобие (учет геоморфологических и других особенностей района).
Топографические карты имеют многоцелевое назначение, поэтому на них показывают все элементы местности. Это их отличает от специальных карт. Бывают численный, линейный и поперечный масштаб.
Невооруженный глаз может оценивать на карте расстояния до 0,1 мм. Поэтому горизонтальное расстояние на местности, соответствующее на карте 0,1 мм, называется точностью масштаба.
Для масштабов карт 1:500, 1:1000 точность масштаба соответственно равно 0,05м; 0,10м.
При выборе планового масштаба необходимо исходить из наименьших отрезков, которые должны быть отражены на плане и определяется по ней. Например, если длина наименьшего отрезка, которая должна быть отражена на плане, равна 25 см, то масштаб должен быть 1:2500.