Тема 2 Геодезические сети

1. Виды опорных геодезических сетей. Назначение и классификация.

2. Методы построения плановых геодезических сетей. Основные показатели. Сравнительная характеристика основных методов построения геодезических сетей.

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

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 съёмочного обоснования топографических съёмок; 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 её часто называют спутниковой или космической геодезической сетью. Положение пунктов в этой сети вычисляют в геоцентрической системе прямоугольных координат Х,У,Z, начало которой совмещено с центром масс Земли, ось Z – с осью вращения её, а плоскость ZУ – 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:

1)уточнение фундаментальных геодезических постоянных;

2)изучение фигуры и гравитационного поля Земли;

3)определение движений полюсов Земли;

4)задание единой для всей Земли системы геоцентрических пространственных прямоугольных или геодезических коодинат;

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

6)изучение перемещений и деформаций литосферных плит земной коры;

7)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 2000г.

Национальные геодезические сети подразделяются, как отмечалось ранее на государственную геодезическую сеть (плановую), государственную нивелирную сеть (высотную), государственную гравиметрическую сеть.

Государственные геодезические сети 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.

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.;

–математическую обработку результатов измерений.

Геодезические работы по созданию государственной геодезической сети называют основными геодезическими работами.

В 1999 году Федеральная служба геодезии и картографии приступила к планомерному развитию государственной геодезической сети качественно нового уровня на основе спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Новая ГГС, создаваемая в соответствии с «основными положениями о государственной геодезической сети России» включает в себя геодезические построения различных классов точности:

1)фундаментальную астрономо-геодезическую сеть ФАГС;

2)высокоточную геодезическую сеть (ВГС);

3)спутниковую геодезическую сеть 1 класса (СГС-1)

4)астрономо-геодезическую сеть и геодезические сети сгущения (АГС).

Высшим уровнем в структуре новой ГГС России должна стать ФАГС. Она будет служить исходной основой для распространения с высокой точностью на территории России общеземной геоцентрической системы координат. Положение пунктов ФАГС в общеземной системе координат определяется методами космической геодезии со ср.кв.ош. не более 10-15 см. Ср.кв.ошибка взаимного положения пунктов ФАГС, удаленных один от другого на 650-1000 км, не должны превышать 1 см в плане и 3 см по высоте. На всех пунктах ФАГС должны определяться значения нормальной высоты геометрическим нивелированием не ниже II класса точности абсолютные значения силы тяжести. Пунктов будет 50-70.

Второй уровень в структуре новой ГГС составляет высокоточная геодезическая сеть (ВГС), которая представляет собой опирающуюся на пункты ФАГС однородную по точности систему пунктов удаленных один от другого на 150-300 км. Основные функции ВГС состоят в распространении на всю территорию страны общеземной системы координат и уточнении параметров взаимного ориентирования общеземной и референцной систем координат, а также в создании высокоточных карт высот квазигеоида и схем уклонений отвесных линий с использованием астрономо-гравиметрической информации и данных нивелирования.

Координаты пунктов ВГС относительно пунктов ФАГС определяются со ср.кв.ош., равными 1-2 см в плане и 3 см по геодезической высоте. Каждый пункт ВГС должен быть связан спутниковыми измерениями со смежными пунктами ВГС и не менее чем с 3-мя пунктами ФАГС. Общее количество пунктов 500-700. Для связи существующих геодезических и нивелирных сетей с создаваемыми спутниковыми сетями к пунктам ФАГС и ВГС привязываются ближайшие к ним пункты АГС и репера нивелирной сети I и II классов.

Третий уровень в структуре новой ГГС занимает спутниковая геодезическая сеть I класса (СГС-1) создается в целях эффективного использования спутниковых технологий. Исходной основой для построения СГС-1 является ближайшие пункты ФАГС и ВГС. Расстояния между пунктами 25-35 км. Всего пунктов 12-15 тыс. Ср.кв.ош. определения положения пунктов СГС-1 относительно ближайших пунктов ВГС не должны превышать 1-2 см по каждой из плановых координат и 3 см по высоте. Для связи СГС-1 с существующими геодезической и нивелирной сетями часть пунктов СГС-1 должна быть связана или совмещена с пунктами АГС и реперами нивелирных сетей I-III класса.

Развитие астрономо-геодезической сети для всей территории нашей страны было завершено к началу 80-х годов. К этому времени стало очевидной необходимость выполнения общего уравнивания АГС без разделения на ряды триангуляции I класса и сплошные сети II класса, поскольку отдельное уравнивание потенциально более жестких сплошных сетей II класса с опорой на ряды триангуляции I класса приводило к значительным деформациям АГС вблизи узлов полигонов и измеренных азимутов, которые при уравнивании также принимались за жесткие.

В 80-х годах было выполнено несколько вариантов общего полигонального уравнивания АГС. С учетом результатов этого уравнивания выполнялось повторное уравнивание линий астрономо-гравиметрического нивелирования с соответствующим последовательным уточнением карт высот квазигеоида над эллипсоидом Красовского. Уточненная карта высот квазигеоида была составлена в 1987г. данные которой были использованы затем в общем уравнивании АГС как свободной сети.

В мае 1991 года общее уравнивание АГС было завершено. По результатам уравнивания получены следующие основные характеристики АГС:

–ср.кв.ош направления 0,7"

–ср.кв.ош измеренного азимута 1,3"

–относительная ср.кв.ош измеренных базисных сторон 1:260000

–ср.кв.ош. взаимного положения смежных пунктов 2-4 см

–ср.кв.ош. передачи координат от исходного пункта на пункты на краях сети по каждой координате – 1 м.

Уравненная астрономо-геодезическая сеть включала в себя 164306 пунктов 1 и 2 классов, 3,6 тыс геодезических азимутов, определенных из астрономических наблюдений и 2,8 тыс.базисных сторон, расположенных через 170-200км. В 1995 году было выполнено заключительное уравнивание АГС с опорой на сеть из 134 пунктов при среднем расстоянии между ними 400-500 км. Сеть из 134 пунктов была получена из совместного уравнивания ДГС, АГС и космической геодезической сети. Вся эта работа была проделана для установления системы координат 1995 года. Точность определения взаимного планового положения пунктов, полученная из заключительного уравнивания АГС на эпоху 1995 года характеризуется ср.кв.ош:

–0,02-0,04 м – при расстояниях до нескольких десятков км

–0,3-0,8 м при расстояниях от 1 до 9 тыс.км.

Традиционная государственная (ГС) по точности подразделяется на 4 класса.

Государственная геодезическая сеть 1 класса имеет наивысшую точность и охватывает всю территорию страны. ГГС 1 класса строится в виде полигонов, образуемых рядами триангуляции или ходами полигонометрии, располагаемыми по направлению меридианов и параллелей примерно через каждые 200 км. Периметр полигонов около 800 км. В вершинах полигонов определяются парные астрономические пункты широта, долгота, азимут (, , А^и). На концах звеньев триангуляции измеряются базисные стороны. Стороны треугольников триангуляции и стороны полигонометрических ходов 1 класса не должны быть, как правило,  20км. Точность измерения углов, характеризуется средней квадратической ошибкой _с =±0'',5, базисных сторон – относительной ошибкой 1: 400000, длин сторон полигонов 1:300000.

Государственная геодезическая сеть 2 класса строится внутри полигонов 1 класса в виде сплошной триангуляционной сети или в виде пересекающихся ходов полигонометрии. Длины сторон сети 2 класса от 7 до 20 км.

Пункты сетей 3 и 4 классов, определяемые методом триангуляции, строятся в виде отдельных систем треугольников, опирающихся на стороны сети высшего класса. Длины сторон треугольников, как правило , должны быть : в триангуляции 3 кл- 5-8 км, а 4 кл-2-5км. При построении сетей 3 и 4 кл методом полигонометрии стороны ходов

3кл <3км, а 4кл <2км.

Пункты государственной плановой геодезической сети закрепляются на местности специальными подземными знаками - центрами, конструкция, которых должна обеспечить их сохранность в течении долгого времени ( ниже глубины промерзания). Для видимости между смежными пунктами устанавливаются наружные геодезические знаки - деревянные и металлические пирамиды и сигналы, а так же железобетонные сигналы. Высоты зависят от местных условий, возможны до 40 м.

Геодезические сети сгущения подразделяются по точности и назначению:

на аналитические сети 1 и 2 разрядов, полигонометрические сети 1 и 2 разряда .

Аналитическая сеть 1 разряда создается в виде цепочек или сплошной сети треугольников, а так же в виде засечек с пунктов геодезической сети всех классов. Длина сторон от 2-5 км, углы измеряют с точностью до 5, относительная ошибка измерения базисной стороны 1:50000.

Аналитическая сеть 2 разряда, длина сторон от 0,5-3 км, углы с точностью до 10, относительная ошибка измерения базиса 1:25000.

В полигонометрии 1 и 2 разряда нормы точности измерений принимают следующие:

в первом разряде – относительная ошибка измерения длин

1: 10000,углов - 5;

во втором разряде - для сторон 1:5000, углов - 10.

Однако пункты государственной геодезической сети и сетей сгущения не имеют достаточной густоты для производства топографических съемок. Поэтому на территории предполагаемого строительства создают съемочное обоснование - съемочные сети. Пункты этого обоснования расположены таким образом, чтобы все измерения при съемке ситуации и рельефа производились непосредственно с ее точек. Съемочные сети делятся на плановые и высотные.

Плановые съемочные сети создают путем прямых, обратных и комбинированных засечек с пунктов всех классов и разрядов; прокладкой теодолитных. Точность линейных измерений при этом должна получаться порядка 1:3000 и выше.

Методы построения

Основными методами построения государственной геодезической сети являются:

1)метод триангуляции от латинского слова triagulum-треугольник, предложенный голландским уч.Снелиусом 1614г.

2)метод полигонометрии от греческого polingunos – многоугольник

3)трилатерация (от лат.trilaterus) измеряются стороны

4)другие способы построения геодезической сети

а)метод линейно-угловой триангуляции в сети измеряют углы и стороны;

в)спутниковые методы создания геодезических сетей.

г)метод боковых засечек А.И.Дурнева

д)метод геодезического четырехугольника Зубрицкого используется в населенных пунктах, в лесных массивах.

В триангуляциях, иначе называемыми тригонометрическими сетями, опорные точки (пункты), располагаются в вершинах треугольников, примыкающих один к другому, т.е. имеющих общие стороны и образующих в совокупности цепи или ряды. В этой сети измеряют все горизонтальные углы и некоторые из сторон - базисы.

1,2,3…6,В - геодезические пункты. Измерения базисов в₁ и в₂ в триангуляции с высокой точностью производят светодальномерами или другими мерными приборами. По мере удаления от базиса, точность определения сторон триангуляции понижается. Для повышения точности и контроля в конце ряда триангуляции измеряют еще один базис. Для связи сети триангуляции с уже созданными геодезическими сетями, в развивающуюся триангуляцию должны быть включены пункты из ранее созданных сетей. Для того, чтобы в триангуляции было принципиально возможным определение положения смежных пунктов, необходимо в каждом треугольнике измерять 2 угла, а в сети триангуляции иметь всего один базис, дирекционный угол одного направления и координаты одного пункта. Однако, число измерений всегда больше необходимого количества. Так в ряду триангуляции на нашем рисунке измеряют всегда три угла в каждом треугольнике, две базисные стороны в₁ и в₂, два дирекционных угла и , а также включают два пункта А и В с известными координатами и . Наличие избыточных измерений дает возможность произвести вычислительную обработку измерений с применением специальных математических методов, называемую уравниванием измеренных величин.

Метод трилатерации состоит в определении планового положения вершин треугольников, в которых расположены геодезические пункты, измерением длин всех сторон треугольников и одного горизонтального угла. В настоящее время в связи с широким использованием светодальномеров метод трилатерации получает все более широкое применение. В сетях трилатерации для определения координат пунктов необходимо производить измерения трех сторон в треугольнике, в то время как в триангуляции необходимых измерений два, а производят измерения трех углов. Отсутствие избыточных измерений в трилатерации приводит к невозможности контроля измерений и повышения их точности путем уравнивания. Поэтому для повышения точности в трилатерации измеряют длины диагоналей, соединяющие вершины смежных треугольников. Именно поэтому ряды трилатерации состоят из геодезических четырехугольников, центральных систем или их комбинаций.

Метод полигонометрии состоит в построении геодезической сети путем измерения расстояний и горизонтальных углов между пунктами.

Полигонометрию применяют там, где по местным условиям трудно использовать триангуляцию или трилатерацию (в застроенной или засаженной местности).

На рисунке приведена схема полигонометрического хода.

В ходе измерены длины всех сторон d₁,d₂…d₅ и все горизонтальные углы ₁, ₂,….₆, углы могут измеряться как справа, так и слева по ходу лежащие. Для связи с уже созданной геодезической сетью в полигонометрический ход включены пункты ВС с уже известными координатами и направления АВ и СД, заданные дирекционными углами _нач и _кон.

С развитием практической космонавтики получил жизнь новый метод определения положения геодезических пунктов - метод космической геодезии GPS.

Государственная плановая геодезическая сеть служит основой для решения научных задач геодезии, для топографических съёмок, для проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

а

с