Краткий очерк развития топографии и геодезии

Истоки зарождения геодезии проследить исторически трудно. Вероятно, они относятся к тому времени, когда люди начали пользоваться землей для выращивания сельскохозяйственных культур. Поэтому возникла необходимость в делении земли, установлении площади ее отдельных участков. Позже методы геодезии потребовались для строительства оросительных и осушительных систем, разного рода инженерных сооружений.

Считается, что возникновение геодезии связано с деятельностью человека в плодородных долинах рек Нила, Тигра и Евфрата. В Египте сохранились древнейшие инженерные сооружения, строительство которых было невозможно без хорошо разработанных геодезических методов измерений. В 6 тысячелетии до н. э. был построен канал, соединяющий р. Нил с Красным морем. В 5 тысячелетии до н. э. проводились большие ирригационные работы на р. Нил и мероприятия по осушению болот и регулированию водных ресурсов. В это же время в Египте были построены грандиозные сооружения (пирамида Хуву с квадратным основанием, сторона которого равна 227,5 м и высотой 137,2 м, а также пирамида Хофры и др.). Возведение подобных сооружений несомненно было связано с геодезическими работами.

Однако геодезия, как наука, с разработкой соответствующих теоретических обоснований и методов оформилась несколько позже в Древней Греции и получила дальнейшее развитие в Древнем Риме.

В V в. до н. э. греческий ученый Парменид высказал предположение о шарообразности Земли. Доказательства этой гипотезы привел в своих сочинениях Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Он же ввел термин «геодезия» и относил эту науку к отрасли знаний связанной с астрономией и географией.

Выдающийся астроном и географ, глава Александрийской библиотеки Эратосфен (276 - 194 гг. до н. э.) в своем труде «Географика» подробно рассмотрел вопрос о фигуре Земли, привел данные о размерах и форме ее обитаемой части – ойкумены, и показал последнюю на карте. Ему же принадлежит и наиболее близкое к действительности определение длины земного меридиана.

Развитие современных методов при выполнении геодезических работ относится к XVII в. Большим шагом вперед явилось разработка голландским ученым В. Снеллиусом метода триангуляции, благодаря которому стало возможным проводить на земной поверхности линейные измерения огромной протяженности, что позволило определять длины дуг параллелей и меридианов Земли. Во второй половине XVII в. появились первые геодезические приборы с оптической трубой – нивелиры. Теодолит с оптической трубой был изобретен лишь в конце XVIII в. английским механиком Рамсденом.

До конца XVII в. при определении размеров Земли исходным считалось, что Земля - шар. Ньютон (1643 – 1727) на основе открытого им закона всемирного тяготения теоретически обосновал неизбежность сплюснутости Земли у полюсов, если она когда-то была в огненно-жидком состоянии. Для проверки этой теории французская академия наук произвела геодезические измерения в Перу в 1735-1742 гг. по дуге пересекающей экватор и в 1736-1737 гг. в Лапландии на широте около 66º. Эти исследования подтвердили теорию Ньютона.

В конце XVIII в. французские ученые Ж. Деламбр и П. Мешен измерили дугу меридиана от Барселоны до Дюнкерка. На основе этих измерений были получены одни из первых точных данных о размерах земного эллипсоида и принята мера длин линий – метр, как одна десятимиллионная часть четверти дуги Парижского меридиана.

Большой вклад в развитие топографии и геодезии внесли немецкие ученые К. Гаусс (теория ошибок измерений, общая теория изображения сферической поверхности на плоскости с сохранением равноугольности) и

Ф. Бессель (определение параметров земного эллипсоида).

В России геодезия и топография получили широкое развитие при Петре I. В 1701 г. в Москве была построена первая в России школа математических и навигационных наук, в задачу которой входила подготовка навигаторов и геодезистов. В 1715 г. в Санкт-Петербурге была открыта морская академия с классом геодезии. В 1721 г. была разработана первая в России Инструкция по выполнению топографических съемок, на основе которой были составлены карты 164 уездов Европейской части России и 26 уездов Сибири. Большим значением для развития геодезии было открытие в 1739 г. Географического департамента. Вскоре были изданы первые учебники по геодезии «Практическая геометрия» С. Назарова и «Первые основания геодезии» С. К. Котельникова. В 1779 г. в Москве была основана Межевая школа, впоследствии – Межевый институт – высшее учебное заведение по подготовке геодезистов. К концу XVIII столетия на территории России были определены координаты 67 астрономических пунктов. В 1797 г. было создано Депо карт, преобразованное в 1812 г. в Военно-топографическое депо, а затем в 1822 г. – в Корпус военных топографов. Наряду с Корпусом военных топографов геодезические работы выполняли Переселенческое управление, Межевое ведомство, Главное гидрографическое управление, Горное ведомство, Министерство путей сообщения, Русское географическое общество.

Геодезические работы по определению формы и размеров Земли в России были начаты в 1816 г. геодезистами академиком Петербургской Академии наук, директором Пулковской обсерватории В. Я. Струве (1793-1864) и почетным членом Петербургской Академии наук, генералом К. И. Теннером (1783-1860). Они произвели градусное измерение дуги меридиана протяженностью 25º20' от устья р. Дунай до Ледовитого океана (г. Фугленс, Норвегия). Пункты наблюдения располагались и на территории Беларуси.

Большой вклад в развитие геодезии в России в XIX в. внес профессор А.П. Болотов, который в 1845 г. издал учебник «Курс высшей и низшей геодезии». Развитию геодезической теории и практики в то время содействовала деятельность ученых–геодезистов: А. А. Тилло, В. В. Витковского, Ф. А. Слудского, А. Н. Савича, Д. Д. Гедеонова и др.

Достоверные сведения о проведении топографо – геодезических работ на территории Беларуси относятся к XVI столетию, когда она являлась основой Великого Княжества Литовского. С середины XVI в. до середины XVIII в. большой объем геодезических работ выполнен при землеустройстве во время проведения «Валочнай памеры» для достоверного учета земель. Работы выполнялись на основе специальных инструкций – «Уставов», в которых содержались рекомендации мерщикам с примерами расчетов согласно разработанным схемам. О достаточно высоком уровне развития топографии и геодезии в то время свидетельствует карта Великого Княжества Литовского (масштаб 1:1 260 000), составленная под руководством Н.Х.Радивилла в 1613 г. Картометрические измерения показали, что при ее составлении использовались достаточно точные карты и планы более крупных масштабов. Позже, в 1655 г. была издана карта Виленского и Трокского воеводств.

Начало научно обоснованных топографо – геодезических работ на территории Беларуси можно отнести к 1753 г., когда была создана Виленская астрономическая обсерватория. Именно с созданием первых триангуляционных сетей на территории Виленской губернии в 1816–1821 гг. началось картографирование западной части Российской империи. Для этого на территории Гродненской и Минской губерний были построены ряды триангуляции (часть дуги Струве). Значительный вклад в создание триангуляции внесли белорусы И. Ходько и Н. Глушневич. Результатом проведенных топографических съемок на новой геодезической основе явилось создание на всю территорию Беларуси карт масштабов 1:420 000 (десятиверстка) и 1:126 000 (трехверстка), а на значительную площадь – карт масштабов 1:84 000 (двухверстка) и 1:42 000 (одноверстка).

В 1863 – 1873 гг. на территории Беларуси проводилось градусное измерение длины дуги параллели 52 северной широты под руководством И.И. Жилинского. В 1913 – 1916 гг. по линии Петербург – Витебск – Могилев – Гомель – Киев – Одесса был проложен нивелирный ход высокой точности с целью определения разности высот уровней Балтийского и Черного морей.

15 марта 1919 г. был подписан декрет о создании Государственной картографо-геодезической службы – Высшего геодезического управления, реорганизованного впоследствии в Главное управление геодезии и картографии (ГУГК) при СМ СССР.

В конце 1920-х гг. Ф. Н. Красовский разработал программу развития ГГС. Созданная по этой программе единая астрономо-геодезическая сеть не имела аналогов в мировой практике по стройности построения и точности. В 1940 г. под руководством Ф. Н. Красовского и А. А. Изотова были вычислены новые размеры Земли, принятые для геодезических и картографических работ на территории СССР. Таким образом, была создана единая государственная опорная геодезическая сеть, частью которой является существующая государственная геодезическая сеть Республики Беларусь.

Начало геодезического образования в Беларуси относится к 1859 г., когда в Горе-Горецком земледельческом институте были открыты землемерно–таксаторские классы. В настоящее время подготовку специалистов осуществляют Борисовский политехникум - техников-топографов и Полоцкий политехнический университет, занимающийся подготовкой инженеров-геодезистов.

В настоящее время на всю территорию Республики Беларусь созданы топографические карты масштаба 1:10 000, а на территорию городов и городских поселков - топографические планы масштабов 1:5000 и 1:2000, в том числе, на застроенные территории городов – топопланы масштабов 1:1000 и

1: 500.

Все топографо-геодезические работы государственного значения выполняются производственными подразделениями «Белгеодезия», 10

«Белаэрокосмогеодезия» и другими, входящими в структуру Комитета по земельным ресурсам, геодезии и картографии при Совете Министров Республики Беларусь.

Форма и размеры Земли

Земля не является правильным геометрическим телом, её физическая поверхность, особенно поверхность суши сложная. Сведения о форме и размерах Земли используются во многих отраслях знаний.

Физическая поверхность Земли имеет общую площадь 510 млн км² , из которых 71 % приходится на долю мирового океана и 29 % на сушу. Средняя высота суши 875 м, средняя глубина океана 3 800 м.

Представление о фигуре Земли в целом можно получить, вообразив, что вся планета ограничена мысленно продолженной поверхностью океанов в спокойном состоянии. Такая замкнутая поверхность в каждой своей точке перпендикулярна к отвесной линии, т.е. к направлению действия силы тяжести.

Основной уровеннойповерхностью или поверхностью геоиданазывается поверхность, совпадающая с средним уровнем воды океанов в спокойном состоянии и продолженная под материками. Из-за неравномерного распределения масс внутри Земли геоид не имеет правильной геометрической формы (рис.1.1) и его поверхность не может быть выражена математически.

Рис. 1.1 - Земной эллипсоид и геоид

Однако поверхность геоида ближе всего подходит к математической поверхности эллипсоида вращения, получающегося от вращения эллипса PQ1P1Q вокруг малой оси РР1. Поэтому практически при геодезических и картографических работах поверхность геоида заменяют поверхностью эллипсоида вращения, называемого также сфероидом. Линии пересечения поверхности сфероида плоскостями, проходящими через ось вращения, называются меридианами и представляются на сфероиде эллипсами. Линии пересечения сфероида плоскостями перпендикулярными к оси вращения являются окружностями и называются параллелями. Параллель, плоскость которой проходит через центр сфероида называется экватором. Линии OQ = a и ОР = b называют большой и малой полуосями сфероида (а – радиус экватора, b – полуось вращения Земли). Размеры земного сфероида определяются длинами этих полуосей и величиной

,                                                                                     (1.1)

где α – сжатие сфероида.

Изучение фигуры математической поверхности Земли сводится к определению размеров полуосей и величины сжатия эллипсоида, наилучшим образом подходящего к геоиду и правильно расположенных в теле Земли. Такой эллипсоид называют референц-эллипсоидом. С 1946 г. для геодезических и картографических работ в СССР приняты размеры земного эллипсоида Ф. Н. Красовского:

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

Величину сжатия можно оценить, представив глобус с большой полуосью а = 300 мм, в таком случае разность а-b для такого глобуса составит всего 1 мм. Сжатие эллипсоида Красовского подтверждается выводами из результатов наблюдений за движением искусственных спутников Земли. При приближенных расчетах поверхность эллипсоида принимается за поверхность шара (равновеликого по объему земному эллипсоиду) с радиусом 6371,1 км. Для небольших участков земной поверхности радиусом до 20 км поверхность эллипсоида принимают за плоскость.