Глава I предмет геодезии.

Геодезия - наука о методах определения фи­гуры и размеров Земли и изображения ее поверхности на картах, а также о способах про­ведения специальных измерений, необходимых для решения разнообразных задач при изысканиях, проектировании и строительстве инженерных сооружений.

Геодезические измерения производятся различными специальными инструментами и приборами на поверхности Земли, в ее недрах, в при­земном слое атмосферы, на море и в космосе. Поэтому в геодезии уделяется большое внимание изучению теории, устройству и исследованию геоде­зических инструментов и приборов.

Результаты геодезических измерений, как правило, подвергаются соответствующей вычислительной обработке. В связи с этим серьезное внимание в геодезии уделяется вопросам научно обоснованной матема­тической обработки и оценки качества результатов измерений.

Вследствие многочисленности задач, которые призвана решать гео­дезия, она в настоящее время делится на несколько научных дисциплин, каждая из которых занимается решением сравнительно небольшого числа вопросов. Так, разработка методов определения фигуры и размеров Земли и изучение горизонтальных и вертикальных движений земной коры составляют предмет высшей геодезии.

Изучением методов изображения сравнительно небольших участков поверхности Земли на плоскости занимается геодезия или топография.

Разра­ботка теории и способов изображения па плоскости значительных частей земной поверхности составляет предмет картографии.

Фото­топография и фотограмметрия занимаются раз­работкой методов создания планов и карт по фотоснимкам, аэро и космоснимкам местности.

Прикладная (инженерная) геодезия зани­мается изучением методов геодезических работ, выполняемых при изы­сканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, вклю­чая наблюдения за осадками и деформациями последних.

Велико значение геодезии и в обороне страны. Вся армия в целом нуждается в картах различных масштабов. По ним изучают местность, на которой предстоит действовать, на них разрабатываются боевые операции войск. Некоторые рода войск имеют в своем составе геодезиче­ские подразделения.

Таким образом, в настоящее время трудно указать область народного хозяйства, в которой геодезия и геодезические работы не имели бы суще­ственного значения.

Понятие о фигуре земли

В более точных знаниях о форме и размерах Земли нуждаются многие области науки и техники и прежде всего сама геодезия, для наи­более правильного изображения поверхности Земли на картах. Сведе­ниями о фигуре Земли пользуются при запуске искусственных спутни­ков и космических ракет, в авиации, в мореплавании, в радиосвязи, при строительстве современных крупных инженерных сооружений, при разведке полезных ископаемых. Знания о фигуре Земли также необхо­димы геологии, геофизике, географии, астрономии. Фигура Земли составляет предмет специальной научной дисциплины, называемой «Теория фигуры Земли».

Поверхность Земли общей площадью 510 млн. км² разделяется на мировой океан и сушу (материки). Первый составляет 71%, а вторая 29% всей поверхности Земли. Средняя глубина Мирового океана - около 3800 м; средняя высота суши над средним уровнем воды океана - около 875 м. Поэтому можно считать, что суша имеет вид небольшого (по сравнению с общей поверхностью Земли) и невысокого (над уровнем моря по сравнению с его глубиной) плоскогорья.

Изложенные выше фактические цифровые данные приводят к сле­дующему выводу. Так как поверхность Мирового океана составляет без малого три четверти всей поверхности Земли, то можно принять ее за фигуру Земли. Что касается формы поверхности суши, которая главным образом и интересует человека, а также поверхности дна океана, то ее можно изучать относительно поверхности Мирового океана. Такой взгляд существовал длительный период времени. Рассуждали следующим обра­зом. Представим себе поверхность (рис. 1.1), совпадающую со средним уровнем воды Мирового океана в спокойном состоянии (т. е. при отсут­ствии возмущающих действий ветров, приливов, отливов и других сил). Такая поверхность называется

уровенной.

Рис.1.1

Уровенная поверхность всюду горизонтальна, т. е, в любой ее точке перпендикулярна (нормальна) к направлению отвесной линии в этой точке. Продолжим эту поверхность под материки таким образом, чтобы она пересекала направления отвес­ных линий во всех точках также под прямым углом.

Поверхность воды Мирового океана в спокойном состоянии, мысленно продолженная под материки, была названа уровенной поверхностью Земли и принята за действительную (общую) фигуру Земли.

В 1873 г. немецкий физик И. Б. Листинг (1808—1882) дал ей специальное название — поверхность геоида. Изучение фигуры Земли в течение длительного периода было связано с изучением геоида.

Из этого следует, что фигура геоида определяется на­правлением отвесных линий, положение которых зависит от характера распределения масс в теле Земли. Вследствие неравномерного распреде­ления масс внутри Земли поверхность геоида является весьма сложной и установить ее форму, а тем более размеры, не представляется возмож­ным. Данная форма не выражается ни одной из рассматриваемых в математике поверхностей. Поэтому возникла необходимость замены поверхности геоида вспомогательной, возможно ближе подходящей к ней поверх­ностью. Обычно рассматривают две таких поверхности.

В первом приближении уровенную поверхность Земли можно заме­нить сферой определенного радиуса.

Рис 1.2

Исследования показали, что наиболее близкой к геоиду математиче­ской поверхностью является эллипсоид вращения. Эта поверхность получается при вращении эллипса РQP₁Q₁ (рис. 1.2) вокруг малой оси РР₁, называемой полярной осью.

Размеры эллипсоида вращения харак­теризуются длинами его полуосей а (большая полуось) и b (малая полуось) и сжатием α, опреде­ляемым по формуле

(1.1)

Таким образом, изучение формы математической поверхности Земли сводится к определению размеров по­луосей и сжатия эллипсоида, наилуч­шим образом подходящего к геоиду.

В табл. 1 приведены размеры эллипсоида вращения, полученные учеными разных стран.

Табл. 1

Автор	Страна		Год	а	ь	α
				в м
Деламбр Бессель Кларк Жданов Хейфорд Красовский	Франция Германия Англия Россия США СССР	1800 1841 1880 1893 1909 1940		6 375 653 6377397 6 378 249 6377717 6 378 388 6 378 245	6 356 564 6 356 079 6356515 6 356 433 6356912 6 356 863	1 : 334,0 1 : 299,2 1 : 293,5 1 : 299,6 1 : 297,0 1 : 298,3

В СССР до 1946 г. пользовались эллипсоидом, размеры которого были получены Ф.В.Бесселем (1784—1846). К 1940 г. в Центральном научно-исследовательском институте геодезии, аэрофотосъемки и картографии (ЦНИИГАиК) под руководством проф. Ф. Н. Красовского (1878—1948) при участии проф. А. А. Изотова были получены размеры эллипсоида вращения, наиболее подходящие для территории СССР (см. табл. 1). Эллипсоид указанных размеров принят Постановлением Совета Мини­стров СССР № 760 от 7 апреля 1946 г. для геодезических работ в нашей стране и назван эллипсоидом Красовского. Ф. Н. Красовский и А. А. Изотов за выдающуюся научную работу по выводу размеров эллип­соида были удостоены Государственной премии.

Если в первом приближении считать, что Земля имеет форму шара, то радиус такого шара, по данным Ф.Н.Красовского и А.А. Изотова, равен 6371.11 км.

В 1960 г. проф. И. Д. Жонголович по результатам наблюдений за движением трех советских искусственных спутников Земли вычислил сжатие земного эллипсоида и получил α = 1:298,2. Американский уче­ный И. Козаи по результатам наблюдений за движением искусственных спутников Земли, запущенных США, в 1961 г. получил α = 1:298,31. Результаты И.Д. Жонголовича и И. Козаи по существу совпадают со значением, полученным Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым. Таким образом, можно сказать, что результат, полученный к 1940 г. Ф. Н. Красовским и А. А. Изотовым, имеет международное значение.

Выдающийся вклад в изучение фигуры Земли сделан трудами чл.-корр. Академии наук СССР, лауреата Ленинской премии М. С. Молоденского. Им была доказана невозможность определения фигуры геоида без знания фактического характера распределения плотностей вещества в теле Земли и что для решения научных и практических задач геодезии знание фигуры геоида не обязательно. М. С. Молоденский (до 1945 г.) разработал теорию, определяющую по результатам геодезических из­мерений непосредственно фигуру физической поверхности Земли (а не геоида).

В настоящее время за фигуру Земли прини­мается: на суше — физическая поверхность ее твердой оболочки, а на территории океанов и морей — их невозмущенная поверхность.

Изучение фигуры физической поверхности Земли производится путем определения положения (координат) точек местности в избранной системе, например, относительно расположенной некоторым образом простой поверхности (поверхности относимости). За таковую принимается поверх­ность эллипсоида вращения Красовского (см. рис. 1.1).

Отметим, что при решении многих задач геодезии (топографии) за фигуру Земли с достаточной для практических целей точностью прини­мается сфера определенного радиуса.