Інженерна геодезія
Коротка історична довідка про розвиток Геодезії
Виникнення геодезії належить до давнини. Відомо, що в державах Близького Сходу за кілька тисячоліть до н. була створена складна іригаційна система. За 2150 років до н. був побудований тунель довжиною 0,9 км під річкою Євфрат, при цьому річка була відведена у нове русло. На багатьох держав збереглися залишки древніх підземних споруд, які свідчать про високий рівень будівельного мистецтва тих часів. Ці роботи не можна було виконати без геодезичних вимірів відповідної точності.
У XV-XVI ст. пожвавлюється торгівля, розширюється мореплавання, відкриваються нові землі – це викликало потребу у картах і планах.
1.1. Предмет та завдання геодезії
Геодезія – наука про вимірах на земної поверхні, проведених визначення форми і розмірів Землі, зображення земної поверхні як планів, карт і профілів, на вирішення інженерних і народногосподарських завдань.
Геодезія у процесі свого розвитку розділилася на низку наукових та науково-технічних дисциплін:
-вища геодезія(з розділом Морська геодезія) займається вивченням форми та розмірів Землі, її зовнішнього гравітаційного поля, визначає координати та висоти окремих точок земної поверхні в єдиній системі на території всієї країни;
-геодезія(топографія) вивчає методи детальних вимірювань та зображення ділянок земної поверхні на топографічних планах та картах;
-картографіявивчає методи зображення земної поверхні або її частин у вигляді карт та планів (у різних проекціях);
-фототопографіязаймається вивченням приладів та методів фотографування місцевості з повітря або з землі таперетворення фотографій у плани та карти;
-космічна геодезіявирішує основні завдання геодезії, а також завдання геодезичного забезпечення космічних зйомок поверхні Землі, Місяця та планет за допомогою космічних літальних апаратів;
-маркшейдеріявивчає методи та засоби геодезичних вимірів, що виконуються в умовах гірничих виробок (кар'єрах, шахтах), а також при будівництві підземних споруд (тунелі, метро).
-прикладна(інженерна) геодезія займається вивченням методів та засобів виробництва геодезичних робіт, пов'язаних з вирішенням завдань вишукувань, проектування, будівництва та експлуатації всіх видів та типів інженерних споруд, монтажу, вивіряння та налагодження технологічного обладнання, включаючи спостереження за опадами та деформаціями цих споруд.
Геодезія використовує досягнення цілого ряду наук: математики, фізики, астрономії, географії, геоморфології, фотографії, механіки. У геодезії використовують сучасні методи та засоби обчислень, лічильні машини, програмні комплекси, що дозволяють отримувати картографічний матеріал в електронному вигляді.
Велика роль геодезії у народному господарстві та обороні країни. Велике значення має прикладна геодезія при пошуках та будівництві газових, водопровідних, каналізаційних мереж та споруд. Інженерно-геодезичні виміри необхідні розробки проекту інженерних комунікацій для перенесення їх у місцевість, для будівництва та експлуатації споруд. Геодезичними вимірами та побудовами здійснюється безперервний контроль за дотриманням проектної геометричної форми та розмірів споруди та її стабільністю. У процесі будівництва та експлуатації споруд методами та засобами прикладної геодезії проводять спостереження за опадами тадеформаціями споруд. Широкий розвиток землевпорядних робіт, спрямованих на найбільш раціональне використання землі, облік якості сільськогосподарських земель, проведення зрошувальних та осушувальних заходів неможливий без геодезичних вимірів.
1.2. Загальні відомості про форму та розміри Землі
Фізична поверхня Землі має складну форму, суша займає 29%, моря та океани – 71% усієї поверхні. Щоби зобразити земну поверхню на плані, треба знати фігуру Землі. Це дозволить вибрати такий метод проектування зображення земної поверхні, яка дозволила б спроектувати неправильну форму Землі у вигляді математичної моделі.
Насамперед, дамо поняття «рівненої поверхні». Зрівняна поверхня (рис.1.1) – поверхня, перпендикулярна у кожній точці до напрямку сили тяжіння (пряма лінія).
Рівень поверхонь можна провести скільки завгодно, т.к. Земля неоднорідна і складається з шарів, густина яких різна. За фігуру Землі приймається рівнена поверхня, що збігається з поверхнею океанів і морів при спокійному стані водних мас і подумки продовжена під материками. Така рівнова поверхня називаєтьсягеоїдом.
Мал. 1.1. Поняття рівненої поверхні
1.3. Математичні моделі поверхні Землі, які застосовуються в геодезії
1. Якби Земля була б однорідною, нерухомою і схильною лише до дії внутрішніх сил тяжіння, вона мала б формукулі(рис.1.2).
2. Під дією відцентрової сили, викликаної обертанням навколо осі з постійною швидкістю, Земля набула форми сфероїда абоеліпсоїда обертання(рис.1.3).
Мал. 1.3. Еліпсоїд обертання
3. Насправді через нерівномірнийрозподілу мас усередині Землі, еліпсоїдальна фігура Землі здеформована і має формугеоїду(рис.1.4). Найбільші відступи геоїду від еліпсоїда не перевищують 100 – 150 м-коду.
Т.о. спеціальними інструментами з фізичної поверхні Землі геодезичні виміри проектують на геоїд, фігура якого не вивчена. Фігуру геоїду замінюють правильною математичною фігурою, до якої можна застосовувати математичні закони. Розміри земного еліпсоїда становлять:
велика піввісь а = 6378245 м,
мала піввісь b = 6356863 м,
полярний стиск a = 1: 298,3.
4. Для того, щоб земний еліпсоїд ближче підходив до геоїду, його розташовують у тілі Землі, орієнтуючи певним чином. Такий еліпсоїд з певними параметрами та певним чином орієнтований у тілі Землі, називаєтьсяреференц-еліпсоїдом(рис.1.5).
Мал. 1.5. Референц-еліпсоїд
5. Геоїд може бути суворо вивчений через незнання розподілу щільності мас усередині Землі. Було запропоновано замість геоїду прийняти фігуруквазігеоїда(рис.1.6), яка може бути визначена точно на підставі астрономо-геодезичних та гравіметричних вимірів на поверхні Землі без урахування внутрішньої будови та щільності мас усередині Землі. Поверхня квазігеоїда відхиляється від поверхні геоїду максимально 2 м в гірських районах, на океанах і морях їх поверхні збігаються.