Определение формы и размеров Земли является одной из главных задач современной науки.

Человек всегда хотел ориентироваться в окружающем мире. Человек стремился представить Землю в виде изображения которое помогло бы ему ориентироваться в окружающем мире.

Земля ни шар, ни эллипс и не имеет форму, которую можно выразить математически. Поэтому человечество стремилась максимально точно определить истинную форму Земли, используя разные методы.

Позже с изучением гравиметрии у человека появилась новая цель в изучении формы Земли – это максимально точно определить форму и размер Земли не только для составления карт, но и для построения физических теорем. Зная которые человек лучше воспринимал природу и процессы, проходящие в ней.

Краткий исторический обзор

Земля – третья планета от солнца и наиболее крупный и наиболее сложный динамический объект из всех внутренних планет.

Земля имеет форму, близкую к шарообразной. Радиус шара, равновеликого Земле, — 6371 км. Земля обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Вокруг Земли обращается один естественный спутник — Луна.


Обычно под фигурой Земли понимают тело, ограниченное ее физической поверхностью и невозмущенной поверхностью морей и океанов. При определении фигуры Земли не нужно подробно изображать ее физическую поверхность в виде карт, достаточно определить положение на ней сети точек в единой пространственной системе координат. В формировании Земли существенную роль играло тепло недр и процессы радиоактивного распада. Формирование земной коры происходило в течении длительного периода, который по данным палеонтологии разделен на эры, периоды, эпохи, века. Большую роль в эволюции Земли сыграло наличие гидросферы и появление органической жизни на ней[1].

Ее орбита находится между орбитами Венеры и Марса. Она движется вокруг Солнца со средней скоростью 29,765 км/с по эллиптической, близкой к круговой орбите (эксцентриситет 0,0167). Среднее расстояние от Солнца 149,6 млн. км, В перигелии оно уменьшается до 147 млн. км, а в афелии увеличивается до 152 млн. км. Период одного обращения по орбите 365,24 солнечных суток. Вращение Земли вокруг собственной оси происходит со средней угловой скоростью 7,3·10-5рад/с, что примерно соответствует периоду в 23 ч 56 мин 4,1 с. Линейная скорость поверхности Земли на экваторе – около 465 м/с. Ось вращения наклонена к плоскости эклиптики под углом 66° 33′ 22′′. Этот наклон и годовое обращение Земли вокруг Солнца обуславливают исключительно важную для климата Земли смену времен года, а ее вращение вокруг оси – смену дня и ночи. Имеются и небольшие нерегулярные вариации продолжительности суток.


В целом по форме Земля близка к эллипсоиду, сплюснутому у полюсов и растянутому в экваториальной зоне. В нашей стране принят термин «эллипсоид Красовского» Средний радиус Земли 6371 км, полярный – 6356 км, экваториальный – 6378 км. Масса Земли 5,976·1024 кг, средняя плотность 5518 кг/м3. Площадь поверхности Земли 510,2 млн. км2 [1].

Изученность формы и размеров Земли на современном этапе

До половины XVII в. Землю считали правильным шаром, но потом были замечены факты, которые заставили усомниться в правильности подобного представления.

Так, астрономические часы, перевезенные в 1672 г. из Парижа в Кайену (Гвиана), стали ежедневно отставать. Чтобы добиться правильного показания времени, пришлось укоротить маятник часов. Дальнейшие наблюдения, произведенные в других местах, показали, что скорость качания маятника по мере движения от полюсов к экватору уменьшается. Первоначально это явление пытались, объяснить центробежной силой вращения Земли. Однако более точные расчеты показали, что для подобных изменений потребовалось бы увеличить скорость вращения Земли в 17 раз. Оставалась единственная возможность допустить, что уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору зависит от полярного сжатия Земли.


Земля как геоид. Продолжавшиеся в XIX в. градусные измерения и измерения силы тяжести в различных пунктах показали, что форма Земли сложнее, чем это предполагалось. Например, напряжение силы тяжести на многих океанических островах оказалось значительно больше, чем на материках. Исходя из этих фактов, пришлось допустить, что уровень воды в океанах неодинаков, форма Земли во многих случаях отступает от формы эллипсоида вращения. Дальнейшие измерения показали, что Земля по своей форме хотя и приближается к эллипсоиду вращения, но имеет более сложную, присущую только ей форму, которая получила название геоида3. Эта индивидуальная форма Земли пока еще недостаточно изучена. Известно, что поверхности теоретически вычисленных эллипсоида и геоида не совпадают, однако несовпадение это не превышает 100 м. Практически для геодезии и картографии подобное отступление от формы эллипсоида роли не играет, а потому геодезисты при всех своих расчетах исходят из того, что Земля имеет форму эллипсоида вращения.

Географическое значение формы и размеров Земли. Шарообразная форма Земли обусловливает неравномерное распределение тепла на земной поверхности. Солнечные лучи падают на выпуклую поверхность шара под разными углами. В экваториальной зоне они падают отвесно или почти отвесно, а при удалении от экватора угол падения солнечных лучей на земную поверхность уменьшается. В связи с этим нагревание Земли в один и тот же момент от экватора к полюсам уменьшается, что приводит к изменению климатов, к изменению условий природы на различных широтах

iv>

Вряд ли нужно много писать о форме Земли. Всем ясно, что Земля представляет собой шар, слегка сплюснутый у полюсов, т. е. так называемый эллипсоид. Однако правильное, современное представление о форме и размерах Земли было достигнуто далеко не сразу и достигалось порою в тяжелой борьбе науки с религией.

На протяжении ряда веков, через дебри схоластики и религии средневековья, пробивала себе путь истина.

Еще совсем недавно, в 1862 г., немецкий ученый П. Иоселиани, определяя «глубину толстоты земного шара», получил 4536,8 км, что в 11/2 раза меньше действительной величины. Трудно поверить, но еще в 1876 г. в Петербурге была издана брошюра под названием: «Земля неподвижна, популярная лекция, доказывающая, что земной шар не вращается ни около оси, ни около Солнца. Читана в Берлине, доктором Шепфером. Перевод с немецкого Н. Соловьева. Издание 2-е, исправленное». Мы не будем останавливаться на подобных заблуждениях, и не будем касаться истории вопроса. Рассмотрим сведения, более существенные для нас в данном случае[2].

Методы изучения фигуры Земли

Гравиметрический метод

Гравиметрия – раздел науки об измерении величин, характеризующих гравитационное поле Земли и об использовании их для определения фигуры Земли, изучения ее общего внутреннего строения, геологического строения ее верхних частей, решения некоторых задач навигации и др.


В гравиметрии гравитационное поле Земли задается обычно полем силы тяжести (или численно равного ей ускорения силы тяжести), которая является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной ее суточным вращением. Центробежная сила, направленная от оси вращения, уменьшает силу тяжести, причем в наибольшей степени на экваторе. Уменьшение силы тяжести от полюсов к экватору обусловлено также и сжатием Земли.

Сила тяжести, то есть сила, действующая на единичную массу в окрестностях Земли (или другой планеты) складывается из сил тяготения и сил инерции (центробежной силы):

где G – Гравитационная постоянная, mu – единичная масса, dm – элемент массы, R – радиус-векторы точки измерения, r – радиус-вектор элемента массы, w – угловая скорость вращения Земли; интеграл берется по всем массам.

Потенциал силы тяжести , соответственно, определяется соотношением:

где – широта точки измерения.

Основное содержание гравиметрии – теории и методы определения внешнего поля потенциала и силы тяжести Земли по измерениям на земной поверхности и по астрономо-геодезическим данным, исследования внутреннего строения планет, решения некоторых задач навигации.

>

Гравиметрия включает теорию нивелирных высот, обработку астрономо-геодезических сетей в связи с вариациями гравитационного поля Земли.

Единицей измерения в гравиметрии является Гал (1 см/с2) названная в честь итальянского учёного Галилео Галилея.

Определение общего земного сфероида

Обозначим большую полуось сфероида (экваториальный радиус) через a, малую (полярный радиус) — через b; отношение (a-b)/a называется сжатием земного сфероида α. На величину a влияет не только скорость вращения планеты на своей оси, но и характер (степень однородности) внутреннего строения планеты. Наиболее правильно и точно представляет общую фигуру Земли в целом эллипсоид, вычисленный Ф. Н. Красовским и его сотрудниками на основании новых данных, полученных при обработке градусных измерений СССР, Западной Европы и США. Следовательно, экваториальный диаметр Земли равен 12756,5 км, длина земной оси 12713,7 км, а полярный радиус короче экваториального всего на 21,4 км, в связи с чем среднее полярное сжатие настолько ничтожно, что земной сфероид практически почти не отличается от правильного шара. Величина сжатия у таких планет, как Юпитер, Сатурн и Уран, много больше: она равна соответственно 1 : 15,4; 1 : 9,5 и 1 : 14. Их большее сжатие объясняется наличием атмосфер огромной протяжённости и тем, что они вращаются на своих осях почти в два с половиной раза быстрее, чем Земля.


едним радиусом Земли принято считать радиус шара, одинакового по объёму с земным сфероидом, а именно 6371,110 км. Вычислено, что поверхность земного сфероида составляет округлённо 510 млн. кв. км, а объём 1,083 X 1012 куб. км. Длина окружности меридиана 40008,548 км. Работы по вычислению нового эллипсоида показали, что Земля есть, в сущности, трехосный эллипсоид. Это означает наличие у неё не только полярного, но и экваториального сжатия, которое, впрочем, равно всего 1 :30 000. Следовательно, земной экватор — не окружность, а эллипс; наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются на 213 м. Однако принятие трехосного эллипсоида в геодезических работах сильно усложнило бы эти работы и не принесло бы особых практических выгод. Поэтому фигуру Земли в геодезии и картографии рассматривают как двухосный эллипсоид[3].

Космический метод

Космическая геодезия — наука, изучающая использование результатов наблюдений искусственных и естественных спутников Земли для решения научных и научно-технических задач геодезии. Наблюдения выполняют как с поверхности планеты, так и непосредственно на спутниках. Космическая геодезия получила широкое развитие с момента запуска первого искусственного спутника Земли.

Одной из задач космической геодезии является изучение фигуры Земли, Луны и планет с использованием спутниковых измерений.

С момента запуска искусственного спутника Земли 1958 год, перед геодезией были поставлены новые задачи, это наблюдения за искусственными спутниками Земли но орбите и определение пространственных координат точек Земной поверхности, создание опорной геодезической сети.


Влияние отклонений реальных орбит искусственных спутников Земли от вычисленных по формулам Кеплера, позволяет уточнить представление о гравитационном поле Земли и в конечном результате о ее форме[4].

Геометрический метод

Астрономо-геодезический метод основан на использовании градусных Измерений, суть которых сводится к определению линейных величин градуса дуги меридиана и параллели на разных широтах.

Достаточную точность такие измерения достигли после разработанного голландским ученым Снелниусом методом триангуляции, сущность которого заключается в решении ряда треугольников примыкающих друг к другу и составляющих цепочку между конечными пунктами измерений дуги, по результатам угловых измерений в треугольниках можно вычислить искомое расстояние. Метод триангуляции позволил определять длину линий, сократив до минимума дорогостоящие и трудоемкие линейные измерения. При этом исходят из построения всего одной линии небольшой (5 – 10 км) длины – такая линия в геодезии называется базисом, и она закрепляется на поверхности Земли специальными знаками, установленными в начале и в конце. А затем с высокой точностью измеряют длинную линию (100 – 200 км), разбив ее на небольшие (20 – 30 км) отрезки, каждый из которых является стороной некоего треугольника. Получается триангуляционный ряд или цепочка треугольников, углы которых измерить гораздо проще, чем стороны (Рисунок 1). Для угловых измерений не важно, течет ли между пунктами река, расположен ли глубокий овраг или растет лес. Важно только, чтобы была прямая видимость с пункта на пункт.


(Рисунок 1) Триангуляционные ряды (диагонали ромбов – оазисные линии)

Итак, метод триангуляции, основанный на чисто математическом методе решения треугольников, стал на века главным методом производства геодезических работ. И когда великий Ньютон на основе открытого им закона всемирного тяготения сделал вывод о том, что Земля не шар, а сплюснутый у полюсов сфероид, проверить это смогли геодезисты, измерив многокилометровые дуги меридианов близ экватора и в полярной области. Две экспедиции, одна в Перу, другая в Лапландии, снаряженные в первой половине XVIII в. Французской Академией наук, завершили этап становления геодезии как научной дисциплины. Они не только блестяще подтвердили справедливость закона всемирного тяготения для фигуры Земли, но и подвели к пониманию того, что основной научной и практической задачей геодезии является изучение фигуры, размеров и гравитационного поля Земли.

Таким образом, если обобщить всю перечисленную в данной работе информацию, можно прийти к выводу, что при изучение формы Земли используют все эти методы (геометрический, гравиметрический, астрономический) т. к. при изучение формы Земли нельзя думать, что с помощью одного метода можно все определить. Каждый метод имеет связь с другим методом и без использования всех методов нельзя получить полную характеристику формы Земли. Астрономический метод связан с гравиметрическим — гравитационным полем Земли, или астрономический связан с геодезическим – космической триангуляцией и т. д.


При изучение формы Земли используют все эти методы (гравиметрический, астрономический, геометрический), т. к. при изучение формы Земли нельзя думать, что с помощью одного метода можно все определить. Каждый метод имеет связь с другим методом и без использования всех методов нельзя получить полную характеристику формы Земли.

Кроме значительного скачка в определение формы Земли или научного прогресса, изучение ее размеров и формы показывает развитие нации, ведь сегодня наличие собственных космических спутников предназначенных для изучения поверхности Земли, ее формы и размеров является одним из показателей развития государства[5].

Литература:

1. http://www.spbtgik.ru/book/2401.htm7. Шаткин Г.А. Наша планета – Земля // Наука и жизнь.

2.http://www.geo-site.ru/index.php/2011-01-21-10-59-05/106/391-forma-zemli.html4. Концепции современного естествознания. / Под ред. В.Н. Лавриенко, В.П. Ратникова. — 1997. 5. Изотов А. А. Астрономо-геодезические методы изучения геодинамических проблем. – Земля и Вселенная, — 1975.

3. http://knowledge.allbest.ru/

4. http://bibliofond.ru/

5. В. Н. Баранов, Е. Г. Бойко, И. И. Краснорылов и др. «Космическая геодезия» — 19862. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ITS/GEOD/LEK/l1/L1.htm.

Размещено на Allbest.ru

7

Источник: scienceforum.ru

Геодезия – наука об измерениях на земной поверхности, проводимых для определения формы и размеров Земли, изображения земной поверхности в виде планов, карт и профилей, для решения инженерных и народнохозяйственных задач.

Геодезия в процессе своего развития разделилась на ряд научных и научно-технических дисциплин:

высшая геодезия (с разделом Морская геодезия) занимается изучением формы и размеров Земли, ее внешнего гравитационного поля, определяет координаты и высоты отдельных точек земной поверхности в единой системе на территории всей страны;

геодезия (топография) изучает методы детальных измерений и изображения участков земной поверхности на топографических планах и картах;

картография изучает методы изображения земной поверхности или ее частей в виде карт и планов (в различных проекциях);

фототопографиязанимается изучением приборов и методов фотографирования местности с воздуха или с земли и преобразования фотоснимков в планы и карты;

космическая геодезия решает основные задачи геодезии, а также задачи геодезического обеспечения космических съемок поверхности Земли, Луны и планет с помощью космических летательных аппаратов;

маркшейдерия изучает методы и средства геодезических измерений, выполняемых в условиях горных выработок (карьерах, шахтах), а также при строительстве подземных сооружений (тоннели, метро).

прикладная(инженерная) геодезия занимается изучением методов и средств производства геодезических работ, связанных с решением задач изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации всех видов и типов инженерных сооружений, монтажа, выверки и наладки технологического оборудования, включая наблюдения за осадками и деформациями этих сооружений.

Геодезия использует достижения целого ряда наук: математики, физики, астрономии, географии, геоморфологии, фотографии, механики. В геодезии используют современные методы и средства вычислений, счетные машины, программные комплексы, позволяющие получать картографический материал в электронном виде.

Велика роль геодезии в народном хозяйстве и обороне страны. Большое значение имеет прикладная геодезия при изысканиях и строительстве газовых, водопроводных, канализационных сетей и сооружений. Инженерно-геодезические измерения необходимы при разработке проекта инженерных коммуникаций для перенесения их на местность, для возведения и эксплуатации сооружений. Геодезическими измерениями и построениями осуществляется беспрерывный контроль за соблюдением проектной геометрической формы и размеров сооружения и его стабильностью. В процессе строительства и эксплуатации сооружений методами и средствами прикладной геодезии производят наблюдения за осадками и деформациями сооружений. Широкое развитие землеустроительных работ, направленных на наиболее рациональное использование земли, учет качества сельскохозяйственных земель, проведение оросительных и осушительных мероприятий невозможно без геодезических измерений.

Источник: helpiks.org

1. Шарообразность Земли. Часто для доказательства шарообразности Земли приводят явления, которые в действительности подтверждают лишь выпуклость или искривленность ее поверхности. Таким доказательством кривизны земной поверхности является, например, то, что при приближении корабля к берегу сперва показываются из-за горизонта вершины мачт, а потом уже его корпус.

Кругосветные путешествия подтверждают только замкнутость формы Земли, ее изолированность в пространстве, отсутствие у нее краев, где-либо смыкающихся с небом.

Наглядными доводами в пользу шарообразности Земли можно считать такие явления:

а) в любом месте Земли открытый горизонт представляется окружностью и дальность горизонта на уровне моря всюду одинакова;

б) во время лунных затмений тень Земли, падающая на Луну, всегда имеет округлые очертания. Из всех тел только шар при любом положении отбрасывает круглую тень.

Фотографии края Земли, полученные с ракет, запущенных на большую высоту, и фотографии, полученные первыми советскими космонавтами Гагариным и Титовым, показывают, что всякий край Земли представляет собой отрезок окружности. Точнее форма и размеры Земли вычисляются с помощью градусных измерений.

2. Определение размеров Земли. Определение размеров Земли состоит в том, что по меридиану измеряют некоторую дугу — в линейных мерах и в градусах. Между двумя пунктами земного шара, находящимися на одном меридиане, определяют линейное расстояние, равное, положим, n километрам.

Определяют также разность географических широт этих пунктов астрономическим способом (например, по разности высот Полярной звезды в этих пунктах). Пусть эта разность составляет т градусов.

Тогда частное m/360 покажет, какую часть окружности представляет собой ее дуга между пунктами. На этом основании находят длину всей окружности в километрах из простого соотношения:

Описанный способ называется градусным измерением. Зная длину земной окружности, делением ее на 2pi получают длину радиуса Земли. Таким образом было установлено, что радиус Земли, если ее считать шаром, равен 6371 км, а длина окружности — почти 40 000 км.

Большие градусные измерения были выполнены в прошлом столетии русскими учеными под руководством В.Я. Струве. В наше время большие измерения дуг на поверхности Земли выполнены в СССР.

3. Сжатие Земли. Измерения в разных местах Земли показали, что кривизна Земли у экватора больше, чем у полюсов (Рисунок 24). Это означает, что Земля не шар; она немного сжата вдоль оси вращения. Полярный радиус Земли короче экваториального почти на 21 км, то есть приблизительно на 1/300 экваториального радиуса.

Сжатие Земли есть результат действия центростремительной силы, возникающей при вращении Земли вокруг оси. Сжатие может быть продемонстрировано вращением тонкого стального обруча на оси школьной центробежной машины. Сжатие небесного тела вследствие его вращения является общим правилом. Например, планеты Юпитер и Сатурн, вращающиеся вокруг оси быстрее, чем Земля, сжаты еще заметнее. Вследствие сжатия фигура Земли не шар, а эллипсоид вращения. Представление о фигуре Земли значительно уточнено советскими учеными. Оказывается, что истинная фигура Земли очень сложной формы, даже если отвлечься от таких неровностей ее, как горы.

Источник: astronom-us.ru

Физическая поверхность Земли представляет собой сочетание бесконечно большого числа неровностей. Она состоит из океанов, морей и материков с островами. Поверхность океанов в их спокойном состоянии ровная, а суша, составляющая только 29 % от общей площади Земли, представляет собой сложные сочетания гор, возвышенностей, равнин и низменностей. Поэтому поверхность Земли не имеет математического выражения, хотя для решения задач науки и практики требуется знать пространственное положение ее точек. Устанавливать их удобно относительно вспомогательной поверхности, близкой к реальной (физической) поверхности Земли. Такую поверхность называют поверхностью относимости, за которую принимается основная уровенная поверхность Земли, в каждой точке которой нормаль совпадает с направлением отвесной линии (с направлением силы тяжести). Это поверхность воды океанов и открытых морей, находящаяся в спокойном состоянии и мысленно продолженная под материками так, что к ней отвесные линии перпендикулярны во всех точках на Земле. Выбор поверхности воды океанов и морей за уровенную поверхность Земли, объясняется тем, что поверхность открытых водных пространств занимает 71 % общей площади Земли.
В 1873 г. немецкий физик И. Б. Листинг назвал эту поверхность поверхностью геоида. Однако и фигура геоида сложна и строго неопределима, поскольку зависит от малоизученного распределения масс внутри Земли. Поэтому поверхность геоида не соответствует поверхности ни одной правильной математической фигуры, что не позволяет проводить расчеты, связанные с обработкой геодезических измерений на земной поверхности.
По предложению ученого М. С. Молоденского вместо геоида в качестве промежуточной поверхности относимости используется квазигеоид, выполняющий роль «уровня моря». Положение его поверхности рассчитывается на основе гравиметрических измерений. Поверхности квазигеоида и геоида совпадают с поверхностью Мирового океана и различаются по высоте на суше не более чем на 2,5 м. 
Геоид и квазигеоид по форме близко подходят к правильной математической фигуре – эллипсоиду вращения. Поэтому в качестве основной уровенной поверхности при обработке геодезических измерений, выполняемых на земной поверхности принята поверхность эллипсоида вращения, представляющего собой фигуру, полученную в результате вращения эллипса вокруг его малой оси (земной) эллипсоид.
Угол между отвесной линией pq к поверхности геоида в данной точке и нормалью mn к поверхности эллипсоида называется уклонением отвесной линии e (рис. 2.1). В среднем, значение e составляет 3–4″, а в местах аномалий достигает десятков секунд.

Наука об определении формы и размера земли

рис. 2.1

Земной эллипсоид характеризуется следующими основными элементами (рис. 2.2.): малой полуосью (полярный радиус) , которая совпадает с осью вращения Земли; большой полуосью (экваториальный радиус) , которая перпендикулярна оси вращения Земли и полярным сжатием .

 

 

Элементы земного эллипсоида, рассчитанные Деламбром (1800), Бесселем (1841), Хейфордом (1909) и другими учеными неодинаковы, так как вычислены по геодезическим измерениям разных по протяженности дуг меридианов и параллелей.
Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления единой государственной системы координат называется референц-эллипсоидом.
На территории СССР пользовались эллипсоидом Ф. В. Бесселя до 1946 г. Однако этот эллипсоид был рассчитан в основном по данным Западной Европы. На Дальнем Востоке его поверхность сильно уклонялась от поверхности Земли.
Более точные результаты размеров земного эллипсоида были получены в 1940 г. Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым по результатам астрономо-геодезических работ, выполненных на территории СССР, Западной Европы и США. Размеры земного эллипсоида, получившего название «референц-эллипсоида Красовского», были приняты для геодезических и картографических работ на всей территории СССР. Отклонения поверхности референц-эллипсоида Красовского от поверхности геоида не превышают 150 м. Точкой ориентирования референц-эллипсоида Красовского является центр круглого зала Пулковской обсерватории, широта В0 и долгота L0 которого определены из астрономических наблюдений и приняты исходными, а поверхность эллипсоида совмещена со средним уровнем воды в Финском заливе и отмечена на Кронштадском футштоке.
В настоящее время основные геометрические параметры общеземного эллипсоида определяются более точными методами с использованием искусственных спутников Земли. 
При картографических работах (составление карт мелких масштабов) Землю достаточно принимать за шар, объем которого равен объему земного сфероида. Исходя из размеров эллипсоида Красовского R = 6 371 110 м.

Источник: www.bygeo.ru

Назад в раздел

В классификаторе Российского научного фонда (РНФ) «Поддержка и развитие», опубликованного в конце 2013 г., среди десятков областей знаний и многих сотен предлагаемых конкурсных тем, к сожалению, не нашлось места геодезии, ни как одному из фундаментальных научных исследований, ни как возможным темам прикладного характера — т.е. ни «поддержка», ни «развитие» не предусмотрены для старейшей на Земле науки и целой области знаний.

Хотя и с большим опозданием, обращаем ваше внимание на статью уважаемого профессора А.К. Певнева — выпускника МИИГАиК 1954 г. — под интригующим названием «Наука ли геодезия?». А.К. Певнев высоко оценивает роль и место геодезии, но причисляет её к таким более поздним наукам, как геофизика, сейсмология и т.п., о которых ещё речи не было при формировании Древней геодезии, геодезии в Средние века и расцвете геодезии XIX−XX вв. Несмотря на то, что геодезия во многом дала толчок развитию и этих, и других наук о Земле, в РАН до сих пор не представлена эта важнейшая область знаний.

На сегодняшний день формулировку предмета геодезии в кратком виде следует признать следующей. Геодезия — это наука об исследовании Земли путём измерения её поверхности и физических полей с целью создания топографических планов и карт, уточнения формы и параметров Земли, решения координатно-временных и навигационных задач, создания исходной основы для изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений гражданского, промышленного, оборонного и любого другого назначения, кадастров земель и недвижимости.

Геодезия - наука об определении фигуры Земли

Результаты геодезических изысканий являются костяком — основой инфраструктуры пространственных данных и ГИС-систем. Картографо-геодезическая отрасль была зарождена ещё по настоянию Петра I и затем возрождена в 1919 г. по инициативе академика В.И. Вернадского. С давних времен отрасль была государевой при правительстве России, занималась фундаментальными геодезическими, гравиметрическими, картографическими работами, обеспечивая развитие многочисленных отраслей экономики страны государственными топографическими картами всех масштабов и атласами, которые постоянно обновлялись по материалам аэрокосмических съемок.

К сожалению, в настоящее время государственный надзор за картографо-геодезической отраслью и развитием геодезической науки значительно ослаб, поэтому наблюдаются серьезные отставания в фундаментальных и прикладных НИР по геодинамическому мониторингу движений земной коры и деформаций ответственных инженерных объектов, проводимому с целью уменьшения риска и последствий опасных явлений природного и техногенного характера, а также в создании отечественных компьютизированных оптико-электронных средств и систем измерений, спутниковых технологий и приемников ГНСС, особенно сейчас, в период завершающего этапа формирования системы ГЛОНАСС.

Требуются новые технологии обновления топографических карт, усовершенствование и развитие навигационных карт и систем для воздушного, морского, наземного транспорта и т.п. Всё это и побудило авторов ещё раз привлечь внимание научной общественности к рассмотрению современного представления предмета, цели и задач древнейшей науки — Геодезия, непременно востребованной человечеством в каждом хронологическом разрезе истории развития цивилизации, и к обоснованию важности и значимости данной области знаний.

Геодезия — интегрированная система ряда таких научных дисциплин (подсистем), как топография, маркшейдерия, гравиметрия, фотограмметрия, картография, геодинамика, астрономогеодезия, аэрофотогеодезия, прикладная геодезия, космическая геодезия и является их основой. Уже из этого неполного перечня геодезических дисциплин видно, какие разнообразные задачи — и теоретического, и практического характера — приходится решать геодезистам, чтобы удовлетворить требования государственных и коммерческих учреждений, компаний и фирм. Для государственного планирования и развития производительных сил страны необходимо изучать ее территорию в топографическом отношении. Топографические карты и планы, создаваемые геодезистами, нужны всем, кто работает на Земле: геологам, морякам, летчикам, проектировщикам, строителям, земледельцам, лесоводам, туристам, школьникам и т.д. Особенно нужны карты армии: строительство оборонительных сооружений, стрельба по невидимым целям, использование ракетной техники, планирование военных операций — все это без карт и других геодезических материалов просто невозможно.

Представим себе некоторую систему знаний S и, что какое-то число систем типа S соединены в единое целое и управляются одной логикой. Образованную таким образом интегрированную систему S+ можно назвать мегасистемой, т.е. система S+ — геодезия, содержит ряд подсистем — научных дисциплин: гравиметрия, топография, фотограмметрия, картография, отдельные подсистемы средств геодезических измерений, геоинформатика и ГИС разного назначения.

Обновление топографических карт и планов

В целом (в итоге) такая система S+ имеет свою четко организованную кибернетическую структуру, позволяющую оптимально управлять содержанием, развитием составных подсистем, интегрировать новые подсистемы. Таким образом, мы можем наблюдать за деятельностью этих подсистем, за их функционированием. Измерения в изучении окружающего нас геопространства имеют решающее значение. Методы и средства измерений, их точность, надежность и производительность соответствуют исторической эпохе и общему научно-техническому уровню развития вообще и в данной области знаний геодезии, в частности.

По Д.И. Менделееву: «В природе мера и вес являются главными орудиями познания! Наука начинается тогда, когда начинают измерять». Профессор А.А. Изотов писал: «Изучение истории геодезии дает возможность во всей полноте оценить её вклад в человеческие знания, определить её значение и место среди фундаментальных и прикладных наук. Очень немногие из современных наук обладают такой древней историей как геодезия. Не относясь изначально к фундаментальным наукам, геодезия дала жизнь некоторым из них и этот феномен даже у историков не нашёл еще должного, достаточно разумного и приемлемого объяснения».

Поскольку цивилизация существует в мире категорией пространства времени и движения, геодезия первоначально изучала окружающее геопространство путем соответствующих измерений в отрыве от времени и движения, используя лишь двухосные системы ориентации и отсчёта. Философская сущность геодезии состоит в том, что от мировоззрения того или иного периода истории прямо зависит интерпретация элементов окружающего геопространства: почти художественная картина; строгий графический план (чертеж); трехмерная топографическая карта; цифровая (дигитальная) карта; бесконечно большое облако трехмерных координат (3D-скан).. –…. и… что-то ?!… будет на следующем этапе развития цивилизации в соответствии с потребностями того или иного этапа развития человеческого бытия.

Именование начинается от первого определения науки (Аристотель 384−322 г. до н.э.) геодезия — «землеразделение», практическая геометрия (средние века), наука об определении фигуры Земли (середина XIX–начало XX вв.), до современного (конец XX–начало ХХI вв.), наука, применяющая специализированные методы определения и контроля окружающего пространства и его элементов, отображения метрической структуры пространства в цифровые и геометрические модели, а также в изыскания методов перенесения метрики проектных структур в натуру. Такие определения довольно тяжеловесны и непонятны.

В настоящее время результаты геодезических измерений являются основой (масштабом) формирования и функционирования инфраструктуры геопространственных данных в их трехмерном 3D-представлении. Известно что, «геодезия» — слово греческого происхождения, образовано из двух слов «ge» — «гео» — «земля» и «daizo» — «дайдзо» — «разделяю», что в переводе означает «землеразделение». Такое буквальное определение геодезии говорит только лишь о том, что она является одной из древнейших наук о Земле. В процессе исторического развития содержание каждой науки непрерывно меняется, в связи с чем неизбежен разрыв между названием науки и её содержанием. Так, например, «геометрия» буквально определяется как «землеизмерение». Однако в наше время измерения на Земле не являются предметом геометрии, этой проблемой занимается геодезия — наука об измерениях на земной поверхности и в околоземном пространстве, а также о необходимой математической обработке полученных результатов (вычислениях) и графических построениях, проводимых при интерпретации элементов геопространства в том или ином виде для решения конкретной задачи.

При измерении различных величин невозможно получить их истинное значение. В связи с этим возникает необходимость определения их вероятнейшего значения по результатам измерений, т.е. наиболее близкого к истинному. С этой целью в геодезии применяется математическая обработка результатов измерений, в которой используются методы высшей математики, вычислительной техники, математической статистики, теории вероятностей, теории ошибок и теории информации.

Геодезический мониторинг движений земной коры

Проектирование, строительство и эксплуатация инженерных сооружений, планировка, озеленение и благоустройство населенных мест, изучение и добыча полезных ископаемых, сельскохозяйственное и лесное производство, обеспечение обороноспособности государств — во всех этих и многих других сферах жизнедеятельности человека приходится решать задачи на основе геодезических измерений на поверхности Земли. Решение таких инженерных задач основывается на измерении различных физических величин, что является неотъемлемой частью геодезии, и поэтому как наука геодезия близка к метрологии.

Геодезия — наука об измерениях Земли и её физических полей — составляет метрическую основу формирования и функционирования инфраструктуры пространственных данных геоинформатики и ГИС-систем, их единства.

Метрология — глубоко формализованная наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения требуемой точности. И в геодезии, и в метрологии используются много общих принципов, главный из которых связан с необходимостью обеспечения единства измерений. При этом под единством измерений понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражаются в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Одна из главных задач измерений в процессе производства геодезических работ состоит не только в получении результата измерения, но и в оценке его достоверности. Этой задаче подчинена технология геодезических работ, обязательным условием построения которой является наличие избыточных измерений, обеспечивающих не только контроль работ, но и возможность количественной оценки их качества и надежности.

Поэтому ту часть геодезии, которая занимается рассмотрением комплекса научных, организационных, технических, нормативных и методических вопросов, необходимых для обеспечения требуемой точности измерений, логично обозначить понятием «геодезическая метрология». Важнейшими составными элементами этого понятия являются: геодезические измерения, метод геодезических измерений, средство геодезических измерений, погрешность геодезических измерений, точность геодезических измерений («неопределенность результатов измерений»).

Термин геодезическая метрология никоим образом не подменяет обобщенное понятие геодезические измерения, которое определяется как совокупность измерений, проводимых для получения количественной информации о взаимном положении объектов материального мира в процессе выполнения топографо-геодезических работ. По аналогии с общепринятой терминологией, отметим далее, что подметодом геодезических измерений понимается совокупность приемов использования технологических принципов и технических средств измерений. В свою очередь, средство геодезических измерений — это техническое средство (инструмент, прибор, мера, установка, система), предназначенное для выполнения измерений в геодезическом пространстве.

Следует указать, что в качестве геодезических величин выступают физические величины, значения которых определяют в результате производства геодезических измерений, а именно: длина линии (стороны), горизонтальный угол, вертикальный угол (зенитное расстояние), угол наклона, азимут, превышение, высота (отметка), координаты (приращения координат) пункта. При этом под результатом геодезических измерений понимается совокупность данных измерений, полученных после их завершения, последующей математической обработки и оформления в виде конечной или промежуточной продукции (информации).

Единообразие средств геодезических измерений заключается в том, чтобы их метрологические параметры (характеристики) соответствовали установленным нормам, регламентированным в нормативных документах. Это состояние обеспечивается через процедуры метрологического контроля. Таким образом, можно заключить, что содержание понятия «геодезическая метрология» базируется на системе взаимоувязанных требований, суть которых проистекает из необходимости обеспечения точности и достоверности результатов геодезических измерений.

Последние два десятилетия характеризуются стремительным использованием в конструкциях геодезических средств измерений (СИ) цифровых информационно-измерительных систем, средств фотоэлектрии, микропроцессов и т.п. Это открыло широкие возможности созданию и бурному внедрению высокопроизводительных, с высоким уровнем автоматизации и роботизации, геодезических инструментов и систем. В связи с этим революционно изменяется технология производства геодезических работ при решении разнообразных технических задач для изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Если в 1989 г. известный конструктор геодезических средств измерений А.И. Захаров писал об «агрегате, состоящем из теодолита и светодальномерной насадки…, электронным тахеометрам еще только предстоит найти своё место в технической цепи топографо-геодезических работ», то в 2013 г. без электронных тахеометров трудно представить любые виды геодезических измерений при изысканиях, проектировании и строительстве инженерно-технических сооружений, в кадастрах земель и недвижимости, при геодинамических наблюдениях за деформациями и осадками геотехнических систем. В настоящее время уже широко внедряются сверхбыстродействующие лазерные сканеры и лазерные трекеры, являющиеся результатом коренной модернизации роботизированных электронных тахеометров. В свою очередь, даже эти высокоточные инструменты и системы уже сами усовершенствуются и модернизируются в новые, более совершенные геодезические СИ.

Исходя из вышеприведенной объективной формулировки данной области знаний представляется необходимым введение в «Классификатор РНФ» раздела: «Геодезия и картографические науки», по крайней мере, со следующими направлениями НИР:

  1. Формирование структуры геопространственных данных.
  2. Уточнение формы и параметров Земли.
  3. Гравитационное поле Земли и её моделирование.
  4. Системы координат и их взаимосвязь.
  5. Геодезический мониторинг движений земной коры и предвестники землетрясений.
  6. Геодинамические системы сейсмоопасных регионов.
  7. Развитие спутниковых и навигационных систем.
  8. Автоматизация крупномасштабных топографических съемок.
  9. Обновление топографических карт и планов.
  10. Развитие референцных спутников их геодезических сетей регионов.
  11. Спутниковое нивелирование и координатное позиционирование.

Результаты этих и других актуальных направлений НИР и ОКР окажут положительное влияние на развитие экономики Российской Федерации.

Член-корр. РАН В.П. Савиных, профессор
Доктор техн. наук Х.К. Ямбаев

Источник: www.geoygservis.ru