Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Земная поверхность и способы ее изображения

Содержание

Введение

1 Форма Земли и определение положение точек на земной поверхности

2 Изображение земной поверхности на плоскости (план, карта, профиль)

3 Картографическая проекция и система плоских прямоугольных координат

карта земная поверхность плоскость координаты

Введение

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. Ее методы использовались при делении земельных участков и регулировании границ земельных владений. Геодезические измерения для разделения поверхности Земли на участки производились в Египте, Китае и других странах за много столетий до нашей эры. За несколько тысячелетий до нашей эры производились крупнейшие строительные работы по возведению дворцов, храмов, надгробных памятников, каналов, знаменитых водопроводов в странах Древнего Востока. Это было возможно лишь при хорошо разработанных методах измерений на земной поверхности. Развитию и совершенствованию методов геодезических работ способствовали научные достижения в области математики, физики, инструментальной техники. Например, изобретение Галилеем зрительной трубы (1609 г.) позволило резко расширить и повысить точность геодезических измерений. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения привело к выводу, что Земля хотя и имеет шарообразный вид, но сплюснута вдоль оси вращения и приближается к фигуре, называемой эллипсоидом вращения или сфероидом. Результаты геодезических работ явились экспериментальным подтверждением этого великого открытия Ньютона.

Сохранился до наших дней папирус с картой Персии составленный около 4, 5 тыс. лет назад, на обратной стороне которого выполнены подсчеты размеров площади, изображенной на карте. В Китае в 11-13 в. до н.э. были проведены большие геодезические работы по изучению «всей Земли», которые показали умение измерять земельные участки с использованием мерных цепей. Высокое развитие получила геодезия в античной Греции.

В момент развития арабской культуры мудрец, энциклопедист, ученный Абу Насир Аль- Фараби (870-950 гг), родившиеся в Отраре Южно- Казахстанской области в своих трудах написал о науке геодезии и геодезических приборах.

К 11в. относятся первые исторические сведения о геодезических работах, выполнявшихся на Руси, в том числе об измерении зимой по льду ширины Керченского пролива. Вначале 19 в. начались первые топографические работы в азиатской части России. Большую роль в развитии топографо-геодезических работ в России сыграл созданный 1822 г. Корпус военных топографов. В этот период было создано большое количество атласов и карт различного назначения. В развитии картографии в Казахстане, Средней Азии и Восточного Туркестана определенный вклад был сделан выдающимися казахским ученым историком, этнографом, географом Чоканом Валихановым (1835-1865 гг ). По поручению Военно-ученого комитета он составлял карты Средней Азии и Восточного Туркестана. Под его редакцией были подготовлены: «Карта пространства между озером Балхашом и хребетом Алатау», «Рекогносцировка западной части Заилийского края» (1856 г.), «План города Кульджи» , «Карта к отчету о результатах экспедиции к оз. Иссык-Куль»,(1856 г.), «Карта Западного края Китайской империи» и т. д.

Новый этап в развитии геодезии наступил после декрета «Об учреждении высшего геодезического управления» подписанный В.И. Лениным 15 марта 1919 г. Советские геодезисты выполнили огромный объем геодезических и топографических работ на территории бывшего СССР, в том числе на территории Казахстана. На территории Казахстана развита государственная геодезическая сеть высокой точности. Искусственные спутники запускаемые из территории Казахстана открыл новую эру в развитии геодезии как науки; использование результатов наблюдений ИСЗ позволило поставить геодезию на более высокий уровень в решении научных и практических задач.

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. 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, космическую геодезию, топографию, фотограмметрию и инженерную (прикладную) геодезию. Каждый из этих разделов имеет свой предмет изучения, свои задачи и методы их решения, т.е. являются самостоятельными научно-техническими дисциплинами.

Высшая геодезия занимается определением фигуры, размеров и внешнего гравитационного поля Земли, а также созданием высокоточных астрономо-геодезических, гравиметрических и нивелировочных опорных сетей.

Космическая геодезия изучает методы определения взаимного положения точек на земной поверхности в единой системе координат с началом в центре масс Земли, определения размеров и фигуры Земли, параметров ее гравитационного поля, используя результаты наблюдения искусственных спутников Земли (ИСЗ) и естественных небесных тел, а также наблюдений солнечных затмений и покрытий звезд Луной.

Топография (геодезия) занимается изучением сравнительно небольших участков земли с целью изображения их в виде карт, планов и профилей.

Разработкой методики и процессов создания и использования различных карт занимается картография, а извлечением информации, содержащейся на картах- картометрия

Фотограмметрия решает задачи измерений по аэрофото- и космическим снимкам для различных целей, в том числе: для получения карт и планов, обмеров зданий и сооружений и т. п.

Инженерная геодезия изучает методы геодезического обеспечения при разработке проектов, строительстве и эксплуатации разнообразных сооружений, 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 действий 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.

Инженерно-геодезические измерения выполняют непосредственно на местности в различных физико-географических условиях, поэтому необходимо заботиться об охране окружающей природы: не допускать повреждений лесов, сельскохозяйственных угодий, не загрязнять водоемов.

Решение современных задач геодезии связано с обеспечением и улучшением качества строительных зданий и сооружений, промышленных и жилых комплексов, дорог, линий электропередачи и связи, магистральных трубопроводов, энергетических объектов, объектов агропромышленного комплекса и др.

Геодезические работы имеют большое значение в развитии многих отраслей народного хозяйства нашей страны. Геодезия широко применяется при строительстве зданий, дорог, мостов, тоннелей, гидротехнических сооружений, линий электропередачи, при сооружении линий метрополитена, трубопроводов. Геодезические измерения используются в сельском хозяйстве при создании планов сельскохозяйственных угодий, орошения земель, осушения болот, сооружении плотин, прудов, каналов. Разведка месторождений полезных ископаемых и их эксплуатация невозможна без решения геодезических задач, связанных с получением карт и планов. Планировка, озеленение и благоустройство городов, рабочих и сельских поселков основана на использовании материалов геодезических съемок. Огромное поле деятельности открывается перед геодезистами для выполнения народно -хозяйственных задач в развитии индустрии и строительства жилых комплексов Казахстана. Огромная роль принадлежит геодезическим измерениям при определении государственной границы соседними странами Казахстана (Россией, Китаем, Узбекистаном, Туркменистаном, Кыргызстаном) имеющий более 14 тыс. км сухопутной границы. Строительство зданий и сооружений, подъездных путей, линий связи и электропередач невозможно без применения результатов геодезических измерений на местности. Поэтому геодезии принадлежит решающая роль при строительстве зданий и сооружений в Казахстане и новой столицы нашей страны- Астаны в самом сердце Евразии.

Геодезические измерения обеспечивают соблюдение геометрических форм и элементов проекта сооружения в отношении как его расположения на местности, так и внешней и внутренней конфигурации. Даже после окончания строительства производятся специальные геодезические измерения, имеющие целью проверку устойчивости сооружения и выявление возможных деформаций во времени под действием различных сил и причин.

Велико значение геодезии и в культурном строительстве. Создаваемые карты разнообразного содержания и назначения являются могучим средством познания природы и жизни на нашей планете, источником разнообразных сведений о всем мире.

Исключительное значение имеет геодезия для обороны страны. Строительство оборонительных сооружений, стрельба по невидимым целям, использование военной ракетной техники, планирование военных операций и многие другие стороны военного дела требуют геодезических данных, карт и планов

1 Форма Земли и определение положения точек на земной поверхности

Знание формы и размеров Земли необходимо во многих областях науки и техники, особенно в мореплавании, освоении природных ресурсов и укреплении обороноспособности страны. 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, живший в 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 (рисунок 1.1) 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 -из 510 млн. км² общей площади поверхности Земли 71% занимает океан. Поверхность воды в нем под действием силы тяжести образует уровненную поверхность, перпендикулярную в каждой точке направлению силы тяжести. Линию, совпадающую с направлением силы тяжести, называют отвесной линией. Если уровненную поверхность мысленно продолжить под материками, образуется фигура, называемая геоидом (рисунок 1.1). Казалось бы, геоид наилучшим образом определяет математическую фигуру Земли, так как в каждой точке его поверхности существует одно вполне определенное направление - отвесная линия, составляющая с касательной плоскостью 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 с определенными размерами и ориентированный определенным образом 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 Красовского: большая полуось а = 6378245 м, малая полуось b = 6356863 м, полярное сжатие б= (а- b)/а = 1 /298,3.

Рисунок 1.1-Земной эллипсоид и геоид

В инженерной геодезии и работах по топографии условно считают, что Земля имеет форму шара, объем которого равен объему земного эллипсоида, радиус шара R = 6371,11 км.

Определение местоположения точек. Положение точек на физической поверхности Земли определяется системой координат. Координаты- это угловые и линейные величины, определяющие положение точек на поверхности Земли или в пространстве. В геодезии применяются различные системы координат. Рассмотрим некоторые из них.

Геодезические координаты - это геодезическая широта (ц), геодезическая долгота (л) и геодезическая высота (Н). Чтобы определить положение точек на земной поверхности, на ней условно проводят линии - параллели и меридианы, которые образуют систему географических координат (рисунок 1.2 а).

Меридиан - воображаемая линия, образованная секущей плоскостью, проходящей через ось Р_с Р_ю, вращения Земли.

Параллель - воображаемая линия, образованная на поверхности Земли секущей плоскостью, перпендикулярной оси вращения Земли. Параллель, образованная плоскостью, проходящей через центр Земли, - экватор.

Один из меридианов принимают за начальный. Тогда положение меридиана точки М определяется двугранным углом между меридианной плоскостью, проходящей через эту точку, и плоскостью начального меридиана. Этот угол называют долготой данной точки и обозначают буквой л. Долготы отсчитывают от начального меридиана в направлении с запада на восток от 0 до 360⁰ или обе стороны от 0 до 180⁰ с указанием соответственно слова «восточная» или «западная» Положение параллели точки М определяется углом между радиусом ОМ земного шара и плоскостью экватора. Этот угол называют широтой данной точки и обозначают буквой ц. Геодезические координаты позволяют обрабатывать результаты геодезических измерений в единой системе для всей поверхности Земли системе координат

Рисунок 1.2- Система географических (а) и плоских прямоугольных координат (б)

Начальным меридианом на поверхности Земли принято считать меридиан, проходящий через центр меридианного зала старейшей в Европе астрономической обсерватории в Гринвиче, вблизи Лондона.

Положение любой точки на поверхности Земли можно определить с помощью астрономических наблюдений тогда будет называться астрономические координаты. Обобщенные понятие об астрономических и геодезических координатах , когда уклонение отвесных линий не учитывают называются географическими координатами.

Если геодезические работы ведут на небольшом участке, что позволяет не принимать во внимание сферичность поверхности Земли, для определения положения точки используют систему плоских прямоугольных координат (рисунок 1.2, б). Систему образуют две взаимно перпендикулярные линии (оси), лежащие в горизонтальной плоскости, причем ось абсцисс х, как правило, совмещают с меридианом какой-либо точки. Точка О - начало координат.

Положительное направление оси х -на север от экватора, оси у - на восток от меридиана. Оси абсцисс и ординат образуют координатные четверти I...IV, которые нумеруют по ходу часовой стрелки; северо-восточная четверть считается первой.

Например, положение точки А определяется координатами х_А у_А. В зависимости от четверти, в которой расположена точка, перед координатами ставят знак «+» или «-».

Для полной характеристики положения точки на поверхности Земли необходимо знать еще третью координату - высоту. Высотой точки называется расстояние по отвесному направлению от этой точки до уровненной поверхности. Числовое значение высоты точки называется ее отметкой.

Рисунок 1.3- Абсолютные, условные и относительные высоты

Высоты (рисунок 1.3) бывают абсолютные, условные и относительные. Абсолютные высоты, например Н_А, Н_В отсчитывают от исходной уровненной поверхности - среднего уровня океана или моря (в Казахстане -это нуль Кронштадтского футштока - горизонтальная черта на медной пластине, прикрепленной к устою моста через обводной канал в г.Кронштадте). Условной высотой, например Н Н, называется отвесное расстояние от точки земной поверхности до условной уровненной поверхности - любой точки, принятой за исходную (нулевую).

Относительной высотой, или превышением h точки называется высота ее над другой точкой земной поверхности (например, точки В над точкой А).

2 Изображение земной поверхности на плоскости (план, карта, профиль)

Поверхность Земли изображают на плоскости в виде планов, карт, профилей.

При составлении планов сферическую поверхность Земли проецируют нa горизонтальную плоскость и полученное изображение уменьшают до требуемого размера. Как правило, в геодезии применяют метод ортогонального проецирования. Сущность его состоит в том, что точки местности переносят на горизонтальную плоскость по отвесным линиям, параллельным друг другу и перпендикулярным горизонтальной плоскости.

Например, многоугольник АВСДЕ (рисунок 1.4) на холмистой местности точка А местности проецируется на горизонтальную плоскость PQ по отвесной линии Аа, точка В - по линии Вь и т.д., точки а и b являются ортогональными проекциями точек А и В местности на плоскости PQ.

Рисунок 1.4- Ортогональное проецирование местности

Полученное на плоскости изображение участка земной поверхности уменьшают с сохранением подобия фигур. Такое уменьшенное изображение называется планом местности. Следовательно, план местности -это уменьшенное подобное изображение горизонтальной проекции участка поверхности Земли с находящимися на ней объектами.

Однако план нельзя составить на очень большую территорию, так как сферическая поверхность Земли не может быть развернута в плоскость без складок или разрывов. Изображение Земли на плоскости, уменьшенное и искаженное вследствие кривизны поверхности, называют картой.

Таким образом, и план, и карта - это уменьшенные изображения земной поверхности на плоскости. Различие между ними состоит в том, что при составлении карты проецирование производят с искажением поверхности за счет влияния кривизны Земли, на плане изображение получают практически без искажения.

Рисунок 1.5- Разрез (а) и профиль (б) местности

Профилем местности называется уменьшенное изображение вертикального разреза земной поверхности по заданному направлению. Как правило, разрез местности (рисунок 1.5, а) представляет собой кривую линию АВС..G, На профиле (рисунок 1.5,б) она строится в виде ломаной линии abc.g.. Уровненную поверхность изображают прямой линией; для большей наглядности вертикальные отрезки (высоты, превышения) делают крупнее, чем горизонтальные (расстояния между точками).

3 Картографическая проекция и система плоских прямоугольных координат

Чтобы изобразить на плоскости сферическую поверхность Земли в виде карты, на плоскость переносят сеть меридианов и параллелей- картографическую сетку - и затем по географическим координатам точек земной поверхности строят карту. Способ перенесения сетки со сферической поверхности на плоскость называется картографическим проецированием. Существует много способов картографического проецирования и видов проекций. Их выбирают в зависимости от назначения карты и допускаемых вида и величины искажений при проецировании сферической поверхности на плоскость. В геодезии целесообразно применять такую проекцию, которая не искажала бы углов, сохраняла бы подобие изображаемых фигур. Такие проекции называют равноугольными. Топографические карты строят равноугольной поперечной цилиндрической проекции и соответствующей ей системе плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера (названа по имени немецких ученых, предложивших эту проекцию и разработавших формулы для применения ее в геодезии).

Проекцию Гаусса-Крюгера (рисунок 1.6 а) получают, проецируя Земной шар на поверхность цилиндра, касающегося Земли, по какому-либо меридиану. Чтобы искажения длины линий не превышали пределов точности масштаба карты, проецируемую часть земной поверхности ограничивают меридианами с разностью долгот 6°, а при составлении планов в масштабах 1:5000 и крупнее - 3°. Такой участок называется зоной. Средний меридиан 3 каждой зоны называется осевым. Счет зон ведется от Гринвичского меридиана на восток.

1-зона, 2-координатная сетка, 3-осевой меридиан, 4-ось y, 5-экватор, 6-проекция осевого меридиана, 7-проекция экватора

Рисунок 1.6 - Поперечная цилиндрическая проекция Гаусса-Крюгера (а) и зональная система координат (б)

После развертывания цилиндра в плоскость осевой меридиан зоны и экватор 5 изобразятся взаимно перпендикулярными прямыми линиями 6(проекция осевого меридиана) и 7 (проекция экватора).Изображения осевого меридиана и экватора принимают за оси зональной системы прямоугольных координат (рисунок 1.6 б) с началом в точке их пересечения. С изображением осевого меридиана совмещают ось абсцисс X, а экватора - ось ординат У.

Для всех точек на территории нашей страны абсциссы имеют положительное значение. Для того чтобы ординаты точек также были только положительными, в каждой зоне ординату начала координат принимают равной 500 км. Таким образом, точки, расположенные к западу от осевого меридиана, имеют ординаты меньше 500 км, а к востоку -больше 500 км. Эти ординаты называют преобразованными.

Для удобства пользования плоскими прямоугольными координатами на каждый лист топографической карты, начиная с масштаба 1:200000, наносят сетку квадратов, которая называется километровой сеткой. Стороны квадратов параллельны осям X и Y данной зональной системы координат. Размеры сторон зависят от масштаба карты. Например, на картах масштабов 1:10000... 1:50000 стороны квадратов соответствуют 1 км на местности.

Так как осевые меридианы зон не параллельны друг другу, километровые сетки двух смежных зон не совпадают, поэтому на картах, расположенных в пределах 2° по долготе вдоль западной и восточной границ зоны, показывают выходы координат сетки соседних зон.

Размещено на Allbest.ru