Системы координат применяемые в геодезии

Предмет и содержание геодезии. Разделы геодезии

Геодезия - наука, которая занимается изучением формы и размеров Земли или отдельных ее частей. Это изучение осуществляется посредством геодезических измерений. Такие измерения производятся на поверхности Земли, на море и в космосе. Геодезические измерения нужны для определения фигуры и размеров земли, составления планов, карт и профилей, для решения различного рода инженерных задач при изысканиях» проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

Геодезия – наука об измерениях Земли и других космических объектов, получении их изображений в графическом и электронном видах и измерениях этих изображений.

Геодезия опирается на последние достижения таких фундаментальных наук, как математика, физика, астрономия, география. Ее основным назначением является изучение планов и карт и их электронных аналогов – цифровых моделей местности (ЦММ) и электронных карт (ЭК), решение различных инженерных задач на местности в интересах народного хозяйства и обороны страны.

Высшая геодезия изучает фигуру, размеры и гравитационное поле Земли, обеспечивает распространение принятых систем координат и высот в пределах государства, изучает вертикальные и горизонтальные деформации земной коры, а также изучает фигуру, размеры и гравитационное поле других планет солнечной системы.

Геодезия или топография занимается изображением на планах и картах земной поверхности, а также измерением относительных высот точек земной поверхности и изображением вертикальных ее разрезов.

Инженерная геодезия изучает методы и средства проведения геодезических работ при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений,

Маркшейдерия (подземная геодезия) изучает методы проведения геодезических работ в подземных горных выработках.

Фототопография изучает методы создания топографических карт и планов по материалам фотографирования земли.

Картография изучает методы составления, издания и использования карт, атласов.

За последние годы получили развитие новые разделы геодезии; радиогеодезия, космическая геодезия и морская геодезия.

Радиогеодезия занимается изучением радиоэлектронных методов измерения расстояний при помощи радио и светолокаций, соответственно, приборами радиодальномером и светодальномером.

Космическая геодезия занимается обработкой измерений, полученных при помощи искусственных спутников земли, орбитальных станций и межпланетных кораблей.

Морская геодезия занимается вопросами топографо-геодезических работ морского дна.

Понятие о форме и размере Земли

Поверхность суши Земли со всеми ее неровностями называется физической или топографической поверхностью. Она имеет сложную форму и не поддается математическому выражению. Поэтому для построения карт приходится проектировать ее на иную, более простую, теоретическую (т. е. мысленную) поверхность, которая называется уровенной.

Уровенную поверхность представляют как поверхность Мирового океана, мысленно продолженную под материки при условии, что она в любой точке перпендикулярна отвесной линии. По сравнению с физической поверхностью ее отличает большая сглаженность.

Фигуру Земли, ограниченную уровенной поверхностью, называют геоидом (т. е. подобная Земле). Сложная форма геоида не может иметь математического выражения, но она близка эллипсоиду. Эллипсоид - поверхность, образованная вращением эллипса вокруг меньшей оси.

Размеры земного эллипсоида определяются длинами большой и малой полуосей: а - большая полуось или радиус экватора; b - малая полуось или полуось вращения Земли.

Величина а = (а — b)/а называется сжатием земного эллипсоида. Величины а и b определяются посредством градусных измерений в различных местах мередиана.

характеристики фигуры и размеров Земли ближе всего подходит тело, образованное вращением эллипса вокруг его малой оси, называемое эллипсоидом вращения или сфероидом.

Линии пересечения поверхности сфероида плоскостями, перпендикулярными оси вращения Земли, называют параллелями.

Линии пересечения поверхности сфероида плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, называют меридианами. Параллели представляются на эллипсоиде окружностями, а меридианы – эллипсами. Параллель, образованную плоскостью, проходящей через центр сфероида, называют экватором.

В нашей стране с 1946 г. Для геодезических и картографических работ приняты размеры земного сфероида по Ф. Н. Красовскому:

а= 6 378 245 м; б= 6 356 863 м; α= 1: 298,3

Размеры эллипсоида Красовского довольно близко совпадают с размерами Земли.

Для решения многих задач прикладного значения Землю можно принимать за шар, с радиусом 6 371,11 км.

системы координат применяемые в геодезии

Координатными плоскостями, относительно которых определяют положение точек земной поверхности, являются плоскость экватора земного эллипсоида и плоскость начального меридиана, проходящего через Гринвичскую обсерваторию, расположенную на окраине Лондона. За начало отсчета высот принимают средний уровень Мирового океана. В России отсчет абсолютных высот ведут от нуля Кронштадтского футштока (медная доска с горизонтальной чертой, вделанная в гранитный устой моста через обводной канал в Санкт-Петербурге).

Географической долготой называют двугранный угол между плоскостью меридиана, проходящего через точку, и плоскостью начального меридиана. Долготы отсчитывают от начального меридиана в направлении с запада на восток от 0 до 180 ⁰ или в обе стороны с указанием соответствующего направления «западная» или «восточная».

Географической широтой называют угол, образованный нормалью к поверхности земного эллипсоида в данной точке и плоскостью экватора. Широты, отсчитываемые от экватора к северу, называют «северными», со знаком плюс; широты, отсчитываемые от экватора к югу, называют «южными», со знаком минус. Они имеют значения от 0 до 90⁰.

Географической высотой точки называют расстояние по нормали от этой точки до поверхности эллипсоида.

Поверхность суши Земли со всеми ее неровностями называется физической или топографической поверхностью. Она имеет сложную форму и не поддается математическому выражению. Поэтому для построения карт приходится проектировать ее на иную, более простую, теоретическую (т. е. мысленную) поверхность, которая называется уровенной.

Уровенную поверхность представляют как поверхность Мирового океана, мысленно продолженную под материки при условии, что она в любой точке перпендикулярна отвесной линии. По сравнению с физической поверхностью ее отличает большая сглаженность.

Фигуру Земли, ограниченную уровенной поверхностью, называют геоидом (т. е. подобная Земле). Сложная форма геоида не может иметь математического выражения, но она близка эллипсоиду. Эллипсоид - поверхность, образованная вращением эллипса вокруг меньшей оси.

Размеры земного эллипсоида определяются длинами большой и малой полуосей: а - большая полуось или радиус экватора; Ь - малая полуось или полуось вращения Земли.

Величина а = (а — b)/а называется сжатием земного эллипсоида. Величины а и b определяются посредством градусных измерений в различных местах меридиана.

В геодезии широко используются геодезические общеземные (геоцентрические) и референцные системы координат. Все геодезические данные определяются ( измеряются или вычисляются) в конкретной геодезической системе координат.

Система географических координат. В этой системе за координатную поверхность принимается шар, а за координатные линии — географические (истинные) меридианы и параллели. Сечения поверхности шара плоскостями проходящими через полярную ось вращения Земли РРг, называют меридианами. За начальный принят меридиан, проходящий через центр зала Гринвичской обсерватории вблизи Лондона. Сечения поверхности шара плоскостями, перпендикулярными к оси вращения Земли, называют

параллелями. Параллель, плоскость которой проходит через центр шара О, называют экватором.

Положение точки М на шаре определяется пересечением меридиана и параллели, проходящих через эту точку. Меридиан задаётся географической долготой точки, а параллель- географической широтой. Географической широтой фи точки М называют угол между отвесной линии в точке М называют двугранный угол между плоскостью меридиана точки М и плоскостью Гринвичского меридиана.

Система полярных координат

Эту систему применяют при определении планового положения точек на небольших участках в процессе съемки местности и при геодезических разбивочных работах.

За начало координат — полюс принимают точку О местности, за начальную координатную линию — полярную ось ОА, произвольно расположенную на местности. Полярными координатами точки М будут полярный угол бета, отсчитываемый по часовой стрелке от полярной оси и полярное расстояние (радиус-вектор) OM-S

Система плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера

Данную систему координат используют при крупномасштабном изображении значительных частей земной поверхности на плоскости, следовательно, и, при решении большинства задач, связанных с проектированием строительных комплексов.

Поверхность разбивают меридианами на зоны широты 3 или 6 градусов по долготе. Земной шар вписывают цилиндр так, чтобы плоскость экватора совместилась с осью цилиндра. Каждая зона из центра Земли проецируется на боковую поверхность цилиндра. После проектирования боковую поверхность цилиндра разворачивают в плоскость, разрезав её по образующим, проходящим через земные полюса. На полученном изображении средние меридианы зон и экватор-прямые линии, остальные меридианы и параллели-кривые.

Система координат в каждой зоне одинаковая. Для территории России расположенном в северном полушарии, абсциссы всегда положительны. Для того чтобы и ординаты были всегда положительны начало координат смещают на запад на 500 км. В этом случае все точки к востоку и западу от осевого меридиана будут иметь положительные ординаты. Такие ординаты называются преобразованными.

Планы и карты. Виды масштабов. Точность масштабов.

Топографические карты и планы.

Планом называется чертеж, изображающий в уменьшенном и подобном виде горизонтальное проложение участка местности без учета кривизны земной поверхности. Размер площади, которую можно изобразить на плане не выходя за пределы заданной точности, определяется формулами:

План без съемки рельефа r=корень(3R^2дl)

План со съемкой рельефа r=корень(2R^2дh)

где R - радиус земного шара (6380 км); дl и дh - заданная точность точек опорной сети по горизонтальному проложению и по высоте; r - радиус круга, в пределах которого обеспечивается заданная точность

Планы бывают контурными и топографическими. На контурных планах изображают только контуры горизонтальных проекций местных предметов. Совокупность местных предметов, нанесенных на план, называют ситуацией плана. На топографических планах, кроме ситуации, условными знаками изображают рельеф местности.

Картой называют чертеж, изображающий в уменьшенном и обобщенном виде всю поверхность земли или значительную ее часть в специальной картографической проекции с учетом кривизны земли. На карте при помощи условных знаков показывают размещение и связи различных предметов и явлений, а также их качественные и количественные характеристики.

Картой называют уменьшенное изображение на плоскости горизонтальных проекций контуров и рельефа значительных участков земной поверхности на плоскости с учетом влияния кривизны Земли.

Планом называют уменьшенное и подобное изображение на плоскости горизонтальных проекций контуров и рельефа относительно небольших участков местности, в пределах которых пренебрегают влиянием кривизны Земли.

Планы, на которых изображены рельеф и ситуационные особенности местности называют топографическими.

Планы, на которых изображены только ситуационные особенности местности без рельефа называют ситуационными.

Степень уменьшения горизонтальных проекций линий местности при изображении их на карте или плане называют масштабом.

Виды масштабов

Численный масштаб записывают в виде дроби, в числителе которой стоит единица, а в знаменателе – степень уменьшения горизонтальных проекций линий местности. Так, численный масштаб 1:1000 показывает, что все горизонтальные проекции линий местности при переносе их на план уменьшены в 1000 раз, т.е. отрезок в 1 см на плане соответствует расстоянию на местности в 1000 см = 10 м.

При сравнении двух численных масштабов более крупным является тот из них, у которого знаменатель меньше.

Топографические карты бывают:

Крупномасштабные – 1:100 000 и крупнее;

Среднемасштабные – от 1:200 000 до 1: 1 000 000;

Мелкомасштабные – мельче 1: 1 000 000.

Линейный масштаб – это графический масштаб в виде масштабной линейки, разделенной на равные части с подписанными значениями соответствующих расстояний на местности. На рис. Масштабная линейка имеет основание, равное 2 см. Отрезок слева от нуля разделен на более мелкие части, доли которых оценивают на глаз. Горизонтальная проекция длины АВ на карте масштаба 1:10 000, измеренная с помощью линейного масштаба и измерителя, складывается из четырех оснований справа от нуля, каждое из которых соответствует отрезку 200 м на местности, семи малых делений слева, каждое соответствует 10 м на местности и отрезка, оцениваемого на глаз: АВ= 4*200 м + 7*10 м + 5 м= 875 м.

Поперечный масштаб – это графический масштаб в виде номограммы, построение которой основано на пропорциональности отрезков параллельных прямых, пересекающих стороны угла. На горизонтальной линии поперечного масштаба отложены одинаковые отрезки по 2 см (основания масштаба). Параллельно нижней линии проведены еще 10 линий с одинаковым интервалом друг от друга, а из концов каждого основания восстановлены перпендикуляры. Первые основания на нижней и верхней линиях разделены на 10 частей по 2 мм и концы малых делений соединены наклонными линиями так, что начало каждого малого деления нижней линии соединяется с концом того же деления верхней. Так для масштаба 1:5000 основание поперечного масштаба равно 100 м, малое деление 10 м, а расстояние между наклонной линией и вертикалью, соответственно, 1, 2, 3,…, 9, 10 м. Тогда расстояние АВ, измеренное на плане составит АВ=284,5 м.

Точность масштабов.

Точность масштаба топографического плана – длина горизонтального проложения линии местности, соответствующая на плане отрезку в 0,1мм.

Так, для плана масштаба 1/5000 точность масштаба будет 0,1*5000=0,5м.

Условные знаки топографических планов и карт

Планом называется уменьшенные и подобные изображения небольших участков земной поверхности, без учёта кривизны земли. Картой называется уменьшенные и подобные изображения значительных территорий с учётом кривизны земли. Ситуация-совокупность предметов элементов и контуров местности. Рельеф- совокупность неровностей земной поверхности. Условные знаки- графические обозначения предметов местности.

Площадные условные знаки: применяются для заполнения контуров природных, сельскохозяйственных угодий; они состоят из знака границ угодий- точечный пунктир или тонкая сплошная линия -и заполняющих его изображение или условной окраски.

Линейные условные знаки: показывают объекты линейного характера (дороги, реки, линии связи), длина которых выражается в данном масштабе. У знаков приводятся различные характеристики объектов.

Внемасштабные условные знаки: служат для изображения объектов, размеры которых не выражаются в масштабе карты (мосты, колодцы, геодезические пункты). У них определяют местоположение объектов.

Пояснительные условные знаки: представляют собой подписи, дающие характеристики и названия объектов. Например глубину и скорость течения рек и др.

Специальные условные знаки: устанавливают соответствующие ведомства отраслей народного хозяйства; их применяют для составления специальных карт и планов этой отрасли. Например знаки для маркшейдерских планов нефтегазовых месторождений.