Геодезия

ГЕОДЕЗИЯ (греческий γεωδαισ?α, буквально - землеразделение), наука об определении фигуры, размеров и гравитационного поля Земли; об измерениях на земной поверхности для отображения её на планах и картах и решения различного рода практических задач.

Геодезия  возникла в глубокой древности, когда появилась необходимость установления границ земельных участков, строительства оросительных каналов, осушения земель. В трудах Аристотеля (4 век до нашей эры) впервые появилось название «геодезии». В 3 веке до нашей эры в Египте Эратосфен впервые вычислил размеры земного шара.

Развитие современной геодезии началось в 17 веке, когда были изобретены зрительная труба, послужившая основой для создания нивелира и теодолита, и барометр, явившийся первым инструментом для определения высот точек земной поверхности. Большим шагом в развитии геодезии стала разработка В. Снеллиусом в 1615-17 годах метода триангуляции, который позволил создать обширные сети геодезических пунктов, являющиеся основой всех видов геодезических измерений.

Для определения фигуры Земли были проведены знаменитые градусные измерения длины дуги меридиана. В 18 веке французский астроном Н. Л. Лакайль произвёл поверку так называемого большого французского градусного измерения от Дюнкерка до Перпиньяна. В 19 веке В. Я. Струве (смотри Струве) и геодезист К. П. Теннер провели измерение дуги меридиана протяжённостью около 3000 км (от Северного Ледовитого океана до устья Дуная), для чего была создана сеть из 265 пунктов (так называемая дуга Струве). Эти и другие геодезические работы были продолжены российскими учёными Ф. Н. Красовским, А. А. Михайловым, М. С. Молоденским, А. А. Изотовым, Н. А. Урмаевым и др.

Объектами изучения и измерения в геодезии в основном являются Земля и её недра, околоземное пространство, объекты на земной поверхности и под ней. Методы геодезии могут применяться также для изучения других планет Солнечной системы. Современная геодезия делится на несколько основных дисциплин: высшую геодезию, космическую геодезию, геодезическую астрономию (астрономогеодезию), топографию, прикладную (инженерную) геодезию и морскую геодезию. Кроме того, развиваются такие направления, как геодезическое обеспечение всех видов земельного кадастра, создание географических информационных систем, цифровых моделей местности, автоматизация геодезических измерений. Каждая из геодезических дисциплин решает свои задачи, используя свои методы и средства для их реализации.

Высшая геодезия изучает фигуру и размеры Земли, методы определения координат точек на её поверхности. Изучением взаимных связей между фигурой Земли и гравитационным полем на её поверхности занимается геодезическая гравиметрия.

При определении фигуры и размеров Земли исходят из понятия об уровенных поверхностях, которые пересекают направления отвесной линии под прямым углом. Направление отвесной линии принимают за одну из координатных линий, т.к. в каждой данной точке оно может быть построено однозначно при помощи уровня или даже простейшего отвеса.

Одной из уровенных поверхностей является поверхность геоида. Вследствие неравномерного распределения масс в земной коре поверхность геоида является настолько сложной, что её нельзя представить каким-либо конечным математическим уравнением. Нельзя и определять относительно неё координаты точек физической поверхности Земли. Поэтому вводится понятие земной эллипсоид, математически правильная поверхность которого принимается близкой по форме к поверхности геоида. Эллипсоид, центр которого совпадает с центром масс Земли, плоскость экватора совпадает с плоскостью земного экватора, а малая ось - с осью вращения Земли, называется общим земным эллипсоидом. Каждое государство принимает для решения внутренних задач страны эллипсоид с такими размерами и расположением (ориентированием) в теле Земли, который бы наилучшим образом представлял территорию данного государства. Подобный эллипсоид называется референц-эллипсоидом. Поверхность референц-эллипсоида (именуемая поверхностью относимости) и является той поверхностью, на которую проектируют (относят) все измерения, выполненные на физической поверхности Земли. В России принят так называемый референц-эллипсоид Красовского.

Положение любой точки земной поверхности задаётся её координатами. В геодезии, как правило, применяются геодезические координаты (эллипсоидальные и прямоугольные) и астрономические координаты (координаты точки на поверхности Земли, определяемые непосредственно из астрономических наблюдений). Астрономические координаты в данной точке, в отличие от геодезических, определяют относительно отвесной линии (направления силы тяжести), которая не совпадает с нормалью к эллипсоиду из-за неравномерного распределения масс внутри Земли. Это несовпадение, называемое уклонением отвесной линии, в горных районах может достигать значительной величины. В геодезических работах, где уклонение отвесных линий незначительно или его можно не учитывать, геодезические и астрономические координаты совпадают. Для полного определения положения точки на земной поверхности, кроме координат в плане, надо знать высоту. В зависимости от выбора начала отсчёта высот различают абсолютные высоты, отсчитываемые от среднего уровня океана (моря), и относительные высоты (условные), отсчитываемые от условной уровенной поверхности. В России отсчёт абсолютных высот ведётся в Балтийской системе от так называемого нуля Кронштадтского футштока, соответствующего среднему уровню Балтийского моря в спокойном состоянии.

Распространение координат точек по всей территории страны осуществляется построением опорных геодезических сетей, которые традиционно создавались методом триангуляции и полигонометрии. На смену им пришёл метод спутниковых определений: для установления координат точек на поверхности Земли используются спутники, координаты которых в определённой системе известны на любой момент времени (смотри Спутниковая система позиционирования).

Полученные любым из методов координаты точки фиксируются на поверхности Земли в виде геодезических пунктов, основу которых составляет центр геодезического знака.

Космическая геодезия использует результаты наблюдений искусственных и естественных небесных тел. Основными задачами космической геодезии являются: разработка способов определения орбит небесных тел с использованием теории движения небесных тел; обоснование требований к геодезическим спутникам и расположению станций наблюдения; разработка аппаратуры и методов наблюдений, теории математической обработки их результатов; определение положений и изменения со временем координат наземных пунктов; изучение параметров гравитационного поля Земли и его изменений во времени; уточнение некоторых астрономических постоянных; изучение геодинамических процессов, происходящих на Земле.

Астрономогеодезия разрабатывает и применяет теорию и методы высокоточных определений астрономических координат и азимутов направлений, что необходимо для правильной ориентации геодезических сетей на физической поверхности Земли и проектирования их на любой эллипсоид относимости. Кроме того, астрономические долготы, широты и азимуты являются основой для задания исходных геодезических координат при использовании любого из референц-эллипсоидов. Астрономические координаты пунктов необходимы также для изучения фигуры и гравитационного поля Земли. Без определения астрономических координат любые геодезические сети (особенно протяжённые) окажутся расположенными в пространстве совершенно произвольно. Поэтому в схемах построения государственных геодезических сетей любых государств обязательно предусматривается определение с некоторой частотой астрономогеодезических пунктов, на которых из наблюдений светил определяют астрономические координаты и азимуты направлений.

Прикладная (инженерная) геодезия решает задачи геодезического обеспечения проектов строительства и эксплуатации различных инженерных сооружений, к которым относятся жилые и общественные здания, промышленные комплексы, метрополитен, автомобильные и железные дороги, гидротехнические сооружения, магистральные трубопроводы нефти и газа, линии электропередач и связи, тепловые и атомные электростанции, башенные сооружения, ускорители ядерных частиц, гигантские радиотехнические антенны и др.

На разных этапах строительства и эксплуатации сооружений выполняются разные группы работ. Инженерно-геодезические изыскания сводятся к получению геодезических данных для разработки проектов строительства сооружений. Согласно проекту строительства определяют границы сооружений на местности, обеспечивают соответствие проекту геометрических форм и размеров строительных и технологических элементов сооружения. Исполнительные съёмки устанавливают отклонение геометрической формы и размеров возведённого сооружения от проектных. В процессе эксплуатации объекта изучается деформация (смещение) земной поверхности под сооружением, а также самого сооружения или его частей под воздействием природных факторов и деятельности человека. Инженерная геодезия решает также задачи, связанные с изучением, освоением и охраной природных ресурсов.

Морская геодезия обеспечивает выполнение геодезических работ в Мировом океане. Цели данных работ: создание морских опорных геодезических сетей и отдельных пунктов общегеодезического и специального назначения; создание батиметрических карт, являющихся материалом для выяснения тектонического строения подводных областей поверхности Земли и решения различных инженерных задач (например, возведение морских буровых платформ); определение границ территориальных вод и др. Работы на море производятся в основном с судов или других плавсредств на любом удалении от береговой линии. Для решения задач морской геодезии используются различные виды радиогеодезических и радионавигационных систем наземного базирования, спутниковые навигационно-геодезические системы, гидроакустические средства.

Топография рассматривает методы и средства построения сетей сгущения, а также изображения местности на планах и картах (топографическая съёмка). Топографическая съёмка проводится как наземными методами, так и путём фотографирования местности с летательных аппаратов, в том числе со спутников. Обработкой снимков занимается фотограмметрия. Геодезические измерения сопровождаются неизбежными погрешностями. Измерения каждой величины для повышения точности выполняют многократно, а результаты приводят в соответствие с определёнными математическими условиями.

Геодезия  постоянно развивается в связи с возникновением новых геодезических задач. К новым направлениям геодезии можно отнести: автоматизацию геодезических работ на основе электронных и компьютерных технологий; геодезическое обеспечение космических систем и реформирования аграрного сектора; создание геоинформационных систем и цифровых моделей местности.

Лит.: Глумов В. П. Основы морской геодезии. М., 1983; Хаимов 3. С. Основы высшей геодезии. М., 1984; Плохов Ю. В., Краснорылов И. И. Геодезическая астрономия. М., 2002. Ч. 1; Крылов В. И. Космическая геодезия. М., 2002; Кузнецов П. Н. Геодезия. М., 2002. Ч. 1; Инженерная геодезия / Под редакцией Д. Ш. Михелева. 4-е изд. М., 2004.