Литература / Геодезические сети и их назначение

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СЕТЬ России

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СЕТИ. ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Геодезической сетью называют систему закрепленных на местности точек земной поверхности, положение которых определено в общей для них системе координат и высот.

Геодезические сети могут создаваться как на малых, так и на огромных площадях земной поверхности. По территориаль­ному признаку их можно подразделить на глобальную (обще­земную) геодезическую сеть, покрывающую весь земной шар; национальные (государственные) геодезические сети, создава­емые в пределах территории каждой отдельной страны в еди­ной системе координат и высот, принятой в данной стране; сети сгущения, предназначенные для создания съемочного обос­нования топографических съемок; местные геодезические сети, т. е. сети на локальных участках, используемые для решения различных задач в местной системе координат.

По геометрической сущности различают плановые, высот­ные и пространственные геодезические сети. В плановой сети в результате обработки измерений вычисляют координаты пунктов на принятой поверхности относимости (на поверхности эллипсоида или на плоскости); в высотной (нивелирной) сети получают высоты пунктов относительно отсчетной поверхности, например, поверхности квазигеоида; в пространственных сетях из обработки измерений определяют взаимное положение пунк­тов в трехмерном пространстве.

Глобальная геодезическая сеть создается в настоящее время методами космической геодезии с использованием на­блюдений ИСЗ, поэтому ее часто называют спутниковой или космической геодезической сетью. Положение пунктов в этой сети вычисляют в геоцентрической системе прямоугольных ко­ординат XYZ, начало которой совмещено с центром масс Земли, ось Z—с осью вращения ее, а плоскость ZY — с плоско­стью начального меридиана. Глобальную геодезическую сеть используют для решения научных и научно-технических проб­лем и задач высшей геодезии, геодинамики, астрономии и дру­гих наук. К числу таких проблем и задач относятся, например, следующие:

уточнение фундаментальных геодезических постоянных;

изучение фигуры и гравитационного поля Земли;

определение движений полюсов Земли;

задание единой для всей Земли системы геоцентрических пространственных прямоугольных или геодезических коорди­нат;

определение положения референц-эллипсоидов разных стран относительно центра масс Земли;

изучение перемещений и деформаций литосферных плит земной коры;

изучение закономерностей изменения во времени координат пунктов общеземной геодезической сети вследствие динамики земной поверхности и приведение их мгновенных значений к определенной эпохе, например, к эпохе 2000 г.

Глобальная геодезическая сеть должна непрерывно совер­шенствоваться для достижения наивысшей точности определе­ния «мгновенного» положения ее пунктов в геоцентрической системе координат. По мере повышения точности глобальной геодезической сети будут постепенно расширяться возможности решения новых научных проблем и задач геодезии, прикладной космонавтики, геодинамики, астрономии и многих других наук.

Национальные геодезические сети подразделяются, как от­мечалось выше, на три вида: государственную геодезическую сеть (плановую), государственную нивелирную сеть (высот­ную), государственную гравиметрическую сеть.

Государственная геодезическая сеть предусматривает опре­деление с наивысшей точностью взаимного положения геодези­ческих пунктов в плановом отношении на избранной поверхно­сти относимости (на референц-эллипсоиде или плоскости); вы­соты пунктов сети определяются с гораздо более низкой точностью, особенно в горных районах.

Государственная нивелирная сеть служит для определения с наивысшей точностью высоты каждого пункта относительно поверхности квазигеоида; плановое положение пунктов этой сети на поверхности относимости определяется приближенно.

Государственная гравиметрическая сеть предназначена для определения с наивысшей точностью ускорений силы тяжести на пунктах; положение пунктов этой сети в плановом и высот­ном отношении должно быть определено с требуемой точно­стью.

Государственные геодезические сети, создаваемые на тер­ритории каждой отдельной страны, предназначаются для сле­дующих целей:

детального изучения фигуры и гравитационного поля Земли, их изменений во времени (в пределах территории страны);

распространения единой системы координат и высот на всей территории страны;

картографирования территории страны в разных масштабах в единой системе координат и высот;

решения геодезическими методами разного рода научных и инженерно-технических задач народнохозяйственного значения.

В силу специфических средств и методов построения геоде­зических сетей разного вида пункты плановой геодезической сети обычно располагают на наиболее высоких участках мест­ности; пункты нивелирной сети — на равнинных и холмистых участках местности, в долинах рек и т. п.

Государственные геодезические сети всех трех видов стро­ятся раздельно, но они тесно взаимосвязаны между собой и до­полняют одна другую. Отдельные пункты могут быть общими для всех трех видов сетей, что позволяет более эффективно решать многие задачи геодезии, геодинамики и т. п.

В связи с тем, что государственные геодезические сети имеют важное научное и народнохозяйственное значение, они должны быть надежно закреплены на местности, рассчитаны на длительный срок службы, а по точности должны удовлетво­рять требованиям науки, задачам народного хозяйства страны, причем не только ближайшего, но и сравнительно отдаленного будущего.

История развития геодезии показывает, что с течением вре­мени требования к точности построения государственных гео­дезических сетей непрерывно возрастают. Вместе с тем, сама по себе государственная геодезическая сеть, если ее система­тически не обновлять и не совершенствовать, постепенно стареет, утрачивается часть пунктов, теряется точность в отдель­ных ее частях, особенно из-за современных движений земной коры.

Для того чтобы государственные геодезические сети страны всегда находились на уровне современных требований, а также требований ближайшего будущего, необходимо;

систематически проводить полевое обследование (осмотр) всех пунктов сети, восстанавливать или заново определять ут­раченные пункты;

периодически, например, через 25—30 лет выполнять по­вторные или дополнительные измерения в значительной или, во всяком случае, в той части сети, которая наиболее сильно под­вержена деформациям из-за современных движений земной поверхности или вследствие других причин;

повторные или дополнительные измерения, проводимые для дальнейшего совершенствования и повышения точности госу­дарственной геодезической сети, необходимо осуществлять на

базе новейших достижений в области высокоточной измери­тельной техники и методов измерений;

по мере накопления новой измерительной информации в ре­зультате повторных или дополнительных измерений на значи­тельной части территории необходимо примерно через 25—30 лет заново выполнять повторное уравнивание сети как плано­вой, так и высотной, с целью получения новых, более точных значений координат и высот, относящихся к данной эпохе на­блюдений.

При создании современных государственных геодезических сетей выполняют комплекс основных геодезических работ, ко­торые включают в себя: проектирование геодезических сетей, рекогносцировку пунктов, постройку геодезических знаков, за­кладку подземных центров и реперов; выполнение угловых и линейных измерений; определение астрономических широт, до­лгот и азимутов; производство нивелирных работ; измерение ускорений силы тяжести, наблюдений ИСЗ и т. п. и, наконец, математическую обработку результатов измерений.

В последние годы достигнуты значительные успехи в деле повышения точности определения координат пунктов по ре­зультатам наблюдений ИСЗ. В связи с этим наблюдения ИСЗ начинают все шире использоваться при создании государст­венных геодезических сетей высокой точности.

Для того чтобы государственные геодезические сети могли служить интересам науки в те­чение длительного времени, их необходимо строить на строго научной основе, причем с наивысшей точностью, достигаемой в массовых измерениях при использовании новейших методов и высокоточной измерительной техники.

Местные геодезические сети. В ряде случаев на локальных участках местности необходимо решать сложные научные и ин­женерно-технические задачи, требующие определения взаим­ного положения точек в плане и по высоте с наивысшей точ­ностью на каждый момент времени. В этих случаях создают специальные геодезические сети предельно высокой точности и выполняют в них прецизионные измерения повторно через определенные интервалы времени. Математическую обработку измерений в таких сетях выполняют в местной системе коор­динат, подбираемой таким образом, чтобы редукционные по­правки за переход от измеренных величин к их проекциям на местную поверхность относимости были как можно меньше. Такие сети используют, например, в сейсмоактивных районах для поиска предвестников и последующего прогноза крупных землетрясений, при строительстве и эксплуатации мощных ра­диотелескопов, ускорителей элементарных частиц, гидростан­ций и т. д.

ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ

При создании государственной геодезической сети неизбежно возникают три основных вопроса, имеющие принципиальное значение: выбор схемы построения государственной геодезиче­ской сети на всей территории страны; установление плотности геодезических пунктов, а также точности определения взаим­ного положения смежных пунктов в сети. Каждый из этих воп­росов необходимо рассматривать совместно, причем с двух то­чек зрения: с точки зрения решения основных научных задач геодезии, а также задач картографирования территории страны. Это связано с тем, что при решении этих задач предъявляются разные требования к опорной геодезической сети. Поэтому не­обходимо найти в определенном смысле оптимальный вариант построения сети, позволяющий на должном научном уровне и с требуемой точностью решать задачи обеих групп.

Используя методы космической геодезии, получают доста­точно обобщенные, т. е. сглаженные характеристики фигуры и гравитационного поля всей Земли в целом. Более детально фигуру Земли в пределах территории одной страны или группы стран изучают путем создания астрономо-геодезических сетей, в которых выполняют комплекс геодезических, астрономических и гравиметрических измерений. До недавнего времени в стра­нах с большой территорией астрономо-геодезические сети стро­ились в виде рядов триангуляции, прокладываемых по направ­лениям меридианов и параллелей и образующих замкнутые по­лигоны. В результате совместной математической обработки всех видов измерений, выполняемых в астрономо-геодезической сети, получают высоты квазигеоида и его профили вдоль рядов триангуляции 1 класса. При этом внутри каждого полигона форма поверхности квазигеоида остается неизученной. Для устранения этого недостатка необходимо создавать на терри­тории страны не полигональную, а сплошную астрономо-геодезическую сеть с более или менее равномерным распределением пунктов по всей территории.

Для геодезического обеспечения топографических съемок, выполняемых в целях картографирования всей территории страны, необходимо на ее поверхности построить сплошную опорную геодезическую сеть. При этом расстояния между со­седними пунктами должны быть гораздо меньше, чем в астро­номо-геодезической сети, особенно при крупномасштабном кар­тографировании.

Таким образом, для решения как научных, так и практиче­ских задач геодезии и картографии необходимо иметь на тер­ритории страны сплошную государственную геодезическую сеть с выделенной в ней астрономо-геодезической сетью как главной и наиболее точной, используемой для решения как практических, так и научных/задач геодезии, в том числе, свя­занных с детальным изучением фигуры и гравитационного поля Земли в пределах территории одной или группы стран.

В высшей геодезии сложился и хорошо оформился опреде­ленный принцип или схема построения государственной геоде­зической сети, предназначенной для решения как научных, так и инженерно-технических задач народнохозяйственного значе­ния. Государственную геодезическую сеть создают поэтапно, постадийно, соблюдая принцип перехода от общего к частному. Сначала строят главную, т. е. астрономо-геодезическую сеть, состоящую из крупных геодезических построений в виде либо замкнутых полигонов, либо сравнительно больших треугольни­ков. Измерения в астрономо-геодезической сети выполняют с наивысшей возможной точностью. Затем данную сеть прини­мают за исходную и на ее основе строят геодезическую сеть второго порядка с более детальными геометрическими постро­ениями и с меньшей относительной точностью измерений, од­нако, с сохранением величины абсолютной ошибки определения взаимного положения смежных пунктов, как и в сети первого порядка. При этом имеются в виду среднестатистические зна­чения ошибок. Далее сеть второго порядка принимают за ис­ходную и на ее основе создают сеть третьего порядка с еще большей детализацией геометрических построений при мень­шей относительной точности измерений, но, как и ранее, с той же абсолютной ошибкой определения взаимного положения смежных пунктов. Так поступают до тех пор, пока не будет по­строена геодезическая сеть с требуемой плотностью пунктов.

Таким образом, при соблюдении принципа перехода от об­щего к частному государственную геодезическую сеть неиз­бежно подразделяют на геодезические сети разных классов 1, 2, 3... Число классов рекомендуется свести к минимуму для уменьшения влияния ошибок исходных данных на уравненные элементы сети низшего класса.

ПЛОТНОСТЬ ПУНКТОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ

При рассмотрении вопроса о необходимой плотности пунктов в государственной геодезической сети следует иметь в виду одну из основных научных проблем геодезии, связанную с де­тальным изучением фигуры Земли, а именно, задачу деталь­ного изучения поверхности квазигеоида в пределах всей терри­тории страны. Выше уже отмечалось, что в результате постро­ения полигональной астрономо-геодезической сети в виде рядов триангуляции остается неизученной поверхность квазигео­ида находящаяся внутри каждого отдельного полигона. Эти

«белые» пятна могут быть ликвидированы в результате пост­роения сплошной астрономо-геодезической сети на всей терри­тории страны. Чем детальнее надо изучить поверхность квази­геоида, тем больше должна быть плотность пунктов астрономо-геодезической сети. В горной местности плотность пунктов должна быть несравненно выше, чем в равнинной местности, так как в горных районах поверхность квазигеоида гораздо слож­нее чем в равнинных. В целях изучения поверхности квазигео­ида определяют на многих пунктах астрономо-геодезической сети астрономические широты и долготы, а также ведут грави­метрическую съемку территории по определенной программе. В равнинной и слегка холмистой местности астрономические пункты размещают в среднем через каждые 70—100 км. Между этими пунктами поверхность квазигеоида изучают, применяя метод астрономо-гравиметрического нивелирования.

В горных районах вследствие сложного строения гравитаци­онного поля Земли и, следовательно, сложной формы квазигео­ида в принципе следовало бы на каждом пункте астрономо-гео­дезической сети определить астрономо-геодезические уклонения отвесных линий с ошибками порядка 1".

Требуемая плотность геодезических пунктов при общегосу­дарственном картографировании территории страны зависит от масштаба топографической съемки, методов ее выполнения, а также от методов создания съемочного геодезического обоснования.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ

Согласно Инструкции основными методами построения го­сударственной геодезической сети являются триангуляция, полигонометрия и трилатерация. Выбор того или иного метода в каждом конкретном случае определяется требуемой точно­стью построения сети и экономической эффективностью.

Метод триангуляции. Принято считать, что метод триангу­ляции впервые был предложен голландским ученым Снеллиусом в 1614 г. Этот метод широко применяется во всех странах. Сущность метода заключается в следующем. На командных высотах местности закрепляют систему геодезических пунктов, образующих сеть треугольников. В этой сети опре­деляют координаты исходного пункта А, измеряют горизон­тальные углы в каждом треугольнике, а также длины b и ази­муты а базисных сторон, задающих масштаб и ориентировку сети по азимуту.

Сеть триангуляции может быть построена в виде отдельного ряда треугольников, системы рядов треугольников, а также в виде сплошной сети треугольников. Элементами сети триан­гуляции могут служить не только треугольники, но и более сложные фигуры: геодезические- четырехугольники и централь­ные системы.

Основными достоинствами метода триангуляции являются его оперативность и возможность использования в разнообраз­ных физико-географических условиях; большое число избыточ­ных измерений в сети, позволяющих непосредственно в поле осуществлять надежный контроль всех измеренных величин; высокая точность определения взаимного положения смежных пунктов в сети, особенно сплошной. Метод триангуляции по­лучил наибольшее распространение при построении государст­венных геодезических сетей.

Метод полигонометрии. Этот метод известен также давно, однако применение его при создании государственной геодези­ческой сети сдерживалось до недавнего времени трудоемкостью линейных измерений, выполняемых ранее с помощью инварных проволок. Начиная примерно с шестидесятых годов пошлого столетия, одновременно с внедрением в геодезическое производ­ство точных свето- и радиодальномеров, метод полигонометрии получил дальнейшее развитие и стал широко применяться при создании геодезических сетей.

Сущность этого метода состоит в следующем. На местности закрепляют систему геодезических пунктов, образующих вытя­нутый одиночный ход или систему пересекающихся ходов, образующих сплошную сеть. Между смежными пунк­тами хода измеряют длины сторон Si, а на пунктах — углы по­ворота β. Азимутальное ориентирование полигонометрического хода осуществляют с помощью азимутов, определяемых или заданных, как правило, на конечных пунктах его, измеряя при этом примычные углы γ. Иногда прокладывают полигонометрические ходы между пунктами с заданными координатами гео­дезической сети более высокого класса точности.

Метод полигонометрии в ряде случаев, например, в заселе­нной местности, на территории крупных городов и т. п. оказывается более оперативным и более экономичным, чем метод триангуляции. Это обусловлено тем, что в таких условиях на пунктах триангуляции строят более высокие геодезические знаки, чем на пунктах полигонометрии, поскольку в первом случае следует обеспечить прямую видимость между гораздо большим числом пунктов, чем во втором. Постройка же гео­дезических знаков является самым дорогостоящим видом работ при создании геодезической сети (в среднем 50—60 % всех затрат).

Следует отметить также присущие методу полигонометрии недостатки:

сети полигонометрии, особенно одиночные ходы, являются гораздо менее жесткими геометрическими построениями, чем сети и ряды триангуляции, так как в полигонометрии число гео­метрических связей между пунктами существенно меньше, чем в триангуляции (при одинаковом числе пунктов в обоих слу­чаях);

число избыточных измерений, а следовательно, и число ус­ловных уравнений, в полигонометрии гораздо меньше, чем в триангуляции с таким же числом пунктов, а это значит, что при прочих равных условиях сеть полигонометрии будет менее точной, чем сеть триангуляции;

контроль полевых измерений в полигонометрии несравненно хуже, чем в триангуляции, так как число условных уравнений в полигонометрии гораздо меньше, чем в триангуляции с та­ким же числом пунктов.

Это свидетельствует о том, что при создании опорных гео­дезических сетей высшего класса точности возможности ме­тода полигонометрии по сравнению с таковыми в триангуля­ции ограничены.

При создании же геодезических сетей последующих классов метод полигонометрии в силу присущей ему оперативности, особенно при использовании современных свето- и радиодаль­номеров с цифровой индикацией результатов измерений, полу­чил широкое применение.

Метод трилатерации. Данный метод, как и метод триангу­ляции, предусматривает создание на местности геодезических сетей либо в виде цепочки треугольников, геодезических четы­рехугольников и центральных систем, либо в виде сплошных сетей треугольников, в которых измеряются не углы, а длины сторон. В трилатерации, как и в триангуляции, для ориентиро­вания сетей на местности должны быть определены азимуты ряда сторон.

По мере развития и повышения точности свето- и радиодальномерной техники измерений расстояний метод трилате­рации постепенно приобретает все большее значение, особенно в практике инженерно-геодезических работ.

При создании государственных геодезических сетей 1—2 классов метод трилатерации в России не применяется. Это объ­ясняется следующими причинами:

1. Контроль измерения расстояний и построения сетей три­латерации слишком слаб, а иногда и вовсе отсутствует, что недопустимо в точных геодезических построениях. В самом деле, например, в треугольнике с измеренными сторонами конт­роль измерения расстояний полностью отсутствует, так как при таких измерениях в треугольнике не возникает ни одного ус­ловного уравнения; в геодезическом четырехугольнике и цент­ральной системе с измеренными сторонами возникает всего лишь по одному условному уравнению, в то время как в та­ких же фигурах триангуляции с измеренными углами возни­кает во много раз больше независимых условных уравнений: в геодезическом четырехугольнике четыре, а в центральной системе еще больше.

2. В технико-экономическом отношении метод трилатерации также уступает методу триангуляции. При прочих равных ус­ловиях штат бригады при линейных измерениях и транспорт­ные расходы в несколько раз больше, чем при угловых измере­ниях, поскольку приходится на конце каждой измеряемой с пункта линии устанавливать отражатель, а затем при пере­езде со светодальномером на другой пункт перевозить всех рабочих с отражателями с одних пунктов на другие, чего не требуется делать при угловых измерениях.

3. При соизмеримой точности угловых и линейных измере­ний точность передачи азимутов в рядах и сетях трилатерации существенно ниже, чем в сетях триангуляции.

Линейно-угловые геодезические сети. Под линейно-угловой сетью понимают такую разновидность триангуляции или трилатерации, в которой одновременно измеряют как углы, так и стороны треугольников. В этой сети через определенное чи­сло треугольников должны определяться азимуты Лапласа, необходимые для ее ориентирования. Линейно-угловые сети строят только в тех случаях, когда требуется создать геодези­ческую сеть с максимально высокой точностью, так как за­траты труда, средств и времени на ее создание гораздо большие, чем при построении аналогичной сети триангуляции или трилатерации. Для того чтобы при создании линейно-угловых сетей получить наибольший эффект от совместного использова­ния угловых и линейных измерений необходимо, чтобы средняя квадратическая ошибка измерения направлений, выраженная в радианной мере mN /р, была равна относительной средней квадратической ошибке измерения длин сторон m_s/p. Ошибки в обоих случаях должны вычисляться по свобод­ным членам условных уравнений (по невязкам). При невыпол­нении этого равенства линейно-угловая сеть по сравнению с аналогичной сетью триангуляции или трилатерации не дает выигрыша в точности.

Комбинированные геодезические сети. При выполнении гео­дезических работ встречаются случаи, когда значительные по площади участки того или иного района характеризуются либо резко различными формами рельефа (например, один уча­сток— равнина, а соседний является горным), либо резко раз­личным растительным покровом (например, один участок по­крывают болота, заросшие травой и мелким кустарником, а на соседнем растет высокий хвойный лес) и т. д. В таких случаях по технико-экономическим соображениям на одном из участков (там, где это экономически более выгодно), геодезическую сеть создают методом триангуляции, на другом — полигонометрии, на третьем — методом трилатерации и т. д.

Другими словами, на территории района с резко различными условиями создают так называемую комбинированную геодезиче­скую сеть.

Схема и методы построения комбинированных геодезических сетей могут быть разными и должны выбираться с учетом кон­кретных условий тех районов, в которых такие сети буду строить.

Наименование основных технических показателей ГТС	Класс ГГС '
	1	2	3	4
Длина звена триангуляции	<200км	-	-	-
Длина хода полигонометрии	200км	-	-	_
Длина сторон триангуляции	20-25км	7-20км	5-8км	2-5км
Длина сторон полигонометрии	20км	7- 10км	Зкм	2км
Обратный вес звена триангуляции	<100	-	-	-
Величина наименьшего угла в треугольнике	40°	30°	20°	10°
Допустимая невязка в треугольнике	3	4	6	8
Средняя квадратическая ошибка измерения:	1
-базисов	1/1000000	-	-	-
-базисных сторон	1/400000	1/300000	-	-
-сторон полигонометрии	1/300000	1/250000	1/200000	1/150000
-углов в триангуляции	0,7"	1,0"	1,5"	2,0"
-углов в полигонометрии	0,4"	1,0"	-	-
-астрономической долготы	0,45"	0,45"	-	-
-астрономической широты	0,30"	0,30"	-	-
-астрономического азимута	0,50"	0,50"	-	-
Допустимое число треугольников между базисными сторонами	10	25	20-25	20-25
Допустимое число сторон в звене полигонометрии	10	-	-	-