Тема 1. Введение. Государственная геодезическая сеть (ГГС) - назначение, требуемая точность построения и плотность пунктов. Традиционные методы построения - триангуляция, полигонометрия, трилатерация (стр. 4 )

Для расчета плотности используется ф-ла

,

где S – длина стороны сети в км.

Параметры плотности и точности ГГС

Показатели	1	2	3	4
Длина звена триангуляции, км	200	-	-	-
Средняя длина стороны	20-25	7-20	5-8/3-8*	2-5
Отн. ош-ка базисной (выходной) стороны
Отн. ош-ка в слабом месте				70 000
Отн. ош-ка для полигонометрии
Наименьшее значение угла в треугольнике	40	20	20	20
Допустимая невязка в треугольнике	3	4	6	8
СКО угла по невязкам в треугольниках	0.7/0.4*	1	1.5	2
Астроопределения: ско по широте	0.3	0.3
По долготе	0.03	0.03
По азимуту	0.5	0.5

ГГС в настоящее время состоит из плановой АГС и сетей сгущения, высотной нивелирной сети и гравиметрической сети. Основные планово-высотные геодезические сети создавались в течение ряда десятилетий (с конца 30-х годов до 70-80-х). Эти сети имеют иерархический характер, разделяясь по классам точности. Согласно Инструкции они должны соответствовать определенным исходным точностным требованиям (см. таблицу выше).

Триангуляция - один из методов создания плановых геодезических сетей на основе построения и решения треугольников по измеренным углам. Триангуляция представляет собой систему примыкающих или перекрывающих друг друга треугольников, которые могут образовывать триангуляционный ряд или триангуляционную сеть. Сторону одного из треугольников измеряют непосредственно или получают косвенным путем, построив так называемую базисную сеть, состоящую, как правило, из ромбов с разными по длине диагоналями. Остальные стороны триангуляционного ряда или сети находят путём последовательного решения треугольников по углам и стороне, используя терему синусов.

Известно, что для решения треугольника достаточно измерить в нём, кроме стороны, два угла. Однако при построении триангуляции в каждом треугольнике измеряют все три угла. Это позволяет проконтролировать результаты угловых измерений и, кроме того, в итоге специальных уравнительных вычислений несколько повысить точность конечного результата. С этой же целью измеряют длину не одной стороны ряда или сети, а двух и более. В случае необходимости в схеме триангуляции предусматривают перекрытие треугольников, что также улучшает качество построения.

После того, как будут вычислены длины стороны треугольников, находят координаты их вершин. Для этого в качестве исходных данных необходимо иметь координаты одной из точек и дирекционный угол ( азимут ) одной из сторон сети. Затем по этим сторонам последовательно решают прямые геодезические задачи и таким образом определяют плановое положение вершин сети.

Триангуляция 1 класса строится в виде системы полигонов из звеньев треугольников порядка 200-220 км (периметр км). Типовые фигуры – треугольники, четырехугольники и центральные системы. В местах пересечения звеньев измеряются базисные стороны (или выходные стороны). На их концах определяются пункта Лапласа с астроопределениями широт, долгот и азимутов. В отдельных районах построена сплошная сеть 1-го класса. В других – вместо звеньев триангуляции строились вытянутые ходы полигонометрии примерно их 10 сторон длиной 20-25 км.

По всем рядам АГС проведено астрономо-гравиметрическое нивелирование с целью получения эллипсоидальных высот, изучения фигуры Земли и ее гравитационного поля.

Триангуляция 2-го класса строится из сплошных сетей треугольников, заполняющих звенья 1-го класса. Сети 2-го класса могут создаваться и методом полигонометрии. Триангуляция 3 и 4 классов представляет собой вставки жестких систем или отдельных пунктов в сети старших классов или ходов полигонометрии. Сети 3 и 4 классов могут строиться методом трилатерации. Все пункты АГС должны иметь отметки, полученные из геометрического или тригонометрического нивелирования.

Трилатерация - как и триангуляция, представляет собой построение, состоящее из треугольников. Однако в этих треугольниках измеряют не углы, а длины сторон. Триангуляцию и трилатерацию применяют в тех случаях, когда существует видимость на большие расстояния.

Полигонометрия - метод, в основу которого положено построение на местности сомкнутых или разомкнутых многоугольников (ходов), в которых измеряют горизонтальные углы между соседними сторонами и длины сторон. Метод полигонометрии применяют обычно в закрытой местности, где трудно обеспечить видимость на большие расстояния.

Характеристика государственных плановых геодезических сетей.

Государственная плановая геодезическая сеть является главной геодезической основой для выполнения геодезических работ при изысканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, при производстве топографических съёмок, решении научных проблем, а также при обеспечении военных действий. Государственная плановая геодезическая сеть строится в соответствии с принципом перехода от общего к частному и делится на 1, 2, 3, 4 классы, отличающиеся друг от друга по точности измерения углов и линий, размерам сторон и способу закрепления точек на местности.

Государственная сеть 1-го класса служит геодезической основой для построения всех остальных плановых сетей. С помощью этой сети на территории страны вводится единая система координат. Результаты измерения в сетях 1-го класса используются для решения научных геодезических задач.

Государственная геодезическая сеть 1-го класса создаётся в виде триангуляционных рядов, прокладываемых вдоль параллелей и меридианов на расстоянии примерно200 км друг от друга. Ряды, идущие вдоль параллелей и меридианов, пересекаясь друг с другом, образуют полигоны периметром км. Каждая из четырёх сторон этого полигона, называемая звеном, состоит из треугольников, близких к равносторонним, с расстоянием между вершинами не менее 20 км. На концах звеньев, т. е. в вершинах полигонов, измеряют длину одной из сторон с относительной погрешностью не более 1:в пунктах лежащих на концах таких сторон, выполняют астрономические измерения широты, долготы и азимута. Горизонтальные углы в треугольниках 1-го класса измеряют высокоточными теодолитами со средней квадратической погрешностью 0.7``. В тех районах, где по условиям местности построение триангуляции сопряжено со значительными трудностями, её заменяют ходами полигонометрии 1-го класса.

Государственная сеть 2-го класса делается сплошной. Она заполняет собой полигоны 1-го класса и опирается на их пункты. Треугольники имеют стороны длиной 7-20 км. Горизонтальные углы в треугольниках сети измеряют со средней квадратической погрешностью 1.0``, а стороны - с относительной ошибкой не более 1:измеряемые стороны располагают равномерно по всей сети, но не реже, чем через 25 треугольников. Допускается замена триангуляции полигонометрическими ходами 2-го класса.

Государственные сети 3-го и 4-го классов предназначены для сгущения сети пунктов 1 и 2 классов. Их строят в виде вставок отдельных пунктов в существующую сеть более высоких классов. Длины сторон треугольников сети 3-го и 4-го классов составляют соответственно 5-8 км и 2-5 км при относительной погрешности измеряемых сторон не более 1:углы измеряют со средней квадратической погрешностью 1.5 и 2. вместо триангуляции разрешается применять полигонометрические ходы 3 и 4 классов.

Закрепление на местности пунктов государственной геодезической плановой сети выполняется специальными устойчивыми и долговременными центрами. В зависимости от характера грунта и других физико-географических условий местности применяют различные конструкции центров. Важнейшей частью любого центра является чугунная марка с небольшим, расположенном посередине, отверстием, которое обозначает закрепляемую точку геодезической сети. Каждый центр имеет несколько дублирующих друг друга чугунных марок, расположенных на разной глубине, но на одной отвесной линии.

Поскольку в государственных геодезических сетях расстояния между пунктами составляют от двух до двадцати и более километров, то обеспечить видимость между такими пунктами с земли можно только в горах. Кроме того, атмосфера в непосредственной близости от земли существенно влияет на погрешности результатов измерений. По этим причинам на пунктах государственных плановых геодезических сетей строят специальные сооружения, геодезические сигналы или пирамиды.

С помощью геодезических сигналов теодолит при измерении углов устанавливается высоко над землёй. Для геодезиста на уровне, удобном для работы с теодолитом, сооружается специальная площадка с ограждением, лестницей и крышей. На крыше устанавливается визирный барабан для наведения на данную точку со смежных пунктов сети. По конструкции сигналы делятся на простые и сложные. Простые сигналы имеют высоту до 15 м, сложные - 40 м и более. Геодезические пирамиды устроены более просто. Их высота, как правило, не превышает 10 м. материалом для изготовления сигналов и пирамид обычно служит дерево и металл.

Каталоги координат пунктов плановых геодезических сетей являются основным итоговым документом работ по созданию главной геодезической основы. Они составляются в соответствии с установленными требованиями и содержат сведения о названии пунктов, их классе и местоположении, типе центра и знака, даты их постройки. Координаты пункта приводятся в каталоге с указанием системы координат, в которой они получены. Кроме того, в каталог вписывают длины и дирекционные углы сторон сети.

Каталоги хранятся в подразделениях Роскартографии, и Госгеонадзоре. По специальным запросам организаций, выполняющих те или иные геодезические работы, делаются выписки из каталогов на указанную в запросе территорию.

Дуга Струве

Началом истории построения в нашей стране единой геодезической системы координат можно считать 1816 год. С этого года начались работы под руководством академика Петербургской Академии Наук, основателя и первого директора Пулковской обсерватории и генерала от инфантерии, почетного члена Петербургской Академии Теннера по проложению триангуляционного ряда по территории России от устья Дуная до Северного Ледовитого океана через Финляндию с включением территорий Швеции и Норвегии. Этот ряд триангуляции, протяженностью 25°20', получил в последствии название дуги Струве.

Каталог Шарнгорста

В 1898 году Корпусом Военных Топографов под руководством генерала было начато уравнивание разрозненных «губернских триангуляции», покрывавших страну от западных границ до Урала, включая Кавказ. Завершена эта работа была только в 1926 году изданием силами Военнно-топографической службы каталога Шарнгорста. Референц-эллипсоидом служил эллипсоид Бесселя, а исходными пунктами являлись астрономическая обсерватория в Дерпте и пункты триангуляции меридианной дуги Струве.

Система координат 1932 года

Началом следующего этапа построения единой систе­мы координат на всю территорию России является 1928 год, когда Главным геодезическим управлением СССР была утверждена единая схема и программа развития государст­венной триангуляции страны, предложенная . В схеме Ф. Н Красовского передача координат на большие расстояния осуществлялась проложением рядов триангуляции 1 класса, образующих при взаимном пересе­чении полигоны с периметром км.

В 1930 году под общим руководством ­ского вычислительное бюро Главного геодезического управления приступило к уравниванию 8 полигонов 1 класса для Европейской части СССР. Позднее к этим полигонам был присоединен Уральский полигон. Вычисления велись относительно эллипсоида Бесселя методом развертывания, за начальный пункт принимался пункт Саблино.

Работы по уравниванию триангуляции были завершены в 1932 году и принятая система координат получила название системы 1932 года.

Система координат 1942 года

В те же годы в ЦНИИГАиК под руководством и начались работы по выводу референц-эллипсоида, наилучшим образом подходившего для территории СССР. Под руководством велись работы по определению высоты геоида в исходном пункте (Пулково) по данным астрономо-гравиметрического нивелирования.

В 1942 году начались работы по переуравниванию АГС. Совместным решением Главного управления геодезии и картографии (ГУГК) и Военно-топографического управления Генерального Штаба Министерства Обороны (ВТУ ГШ МО) от 4 июня 1942 года в качестве референц-эллипсоида при уравнивании был принят эллипсоид с параметрами: a = 6 = 298,3 (в последующем полу­чившего имя Красовского), а систему координат, в которой велись вычисления, было решено именовать системой координат 1942 года.

В уравнивание вошли 87 полигонов АГС, покрывав­ших большую часть Европейской территории СССР и узкой полосой распространяющих координаты до Дальнего Вос­тока. Обработка выполнялась на эллипсоиде Красовского с использованием метода проектирования.

Постановлением Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 года № 000 на основе результатов выполненного уравнивания была введена единая система геодезических координат и высот на территории СССР - система координат 1942 года.

Дальнейшее распространение системы координат 1942 года на территорию СССР проводилось последовательно несколькими крупными блоками полигонов триангуляции и полигонометрии 1 класса. При присоединении каждого очередного блока координаты пунктов на границах блоков уравненной сети принимались за жесткие. Для сгущения АГС, сформированной в виде системы полигонов, выполнялось их заполнение сплошными сетями триангуляции 2 класса. Сплошные сети триангуляции 2 класса уравнивались в пределах отдельных полигонов с использованием уравненных координат пунктов триангуляции 1 класса в качестве исходных.

Система координат 1995 года

Развитие астрономо-геодезической сети для всей территории СССР было завершено к началу 80-х годов.

К этому времени стала очевидной необходимость выполнения общего уравнивания АГС без разделения на ряды триангуляции 1 класса и сплошные сети 2 класса, поскольку отдельное уравнивание потенциально более жестких сплошных сетей 2 класса с опорой на ряды триангуляции 1 класса приводило к значительным деформациям АГС вблизи этих рядов и особенно 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 1987 году, 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 точности АГС:

• средняя квадратическая ошибка направления - 0,7";

• средняя квадратическая ошибка измеренного азимута

- 1,3";

• относительная средняя квадратическая ошибка измеренных базисных сторон - 1:;

• средняя квадратическая ошибка взаимного положения смежных пунктов - 2-4 см;

• средняя квадратическая ошибка 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 тысяч геодезических азимутов, определенных из астрономических наблюдений, и 2,8 тысяч базисных сторон, расположенных через 170-200 км.

К моменту завершения общего уравнивания АГС на территории нашей страны независимо были созданы две спутниковые геодезические сети: космическая геодезическая сеть ВТУ ГШ МО и доплеровская геодезическая сеть ГУГК.

Космическая геодезическая сеть ВТУ ГШ МО на территории бывшего СССР включала в себя 26 стационарных астрономо-геодезических пунктов. Координаты пунктов определены по фотографическим, доплеровским, дальномерным, радиотехническим и лазерным наблюдениям ИСЗ системы ГЕОИК. Точность определения взаимного положения любых пунктов КГС характеризовалась средними квадратическими ошибками, равными 0,3-0,4 м.

Доплеровская геодезическая сеть ГУГК состояла из 131 пункта, координаты которых определялись по доплеровским наблюдениям ИСЗ системы TRANSIT. Точность определения взаимного положения пунктов при среднем расстоянии между ними 500-700 км характеризовалась средними квадратическими ошибками, равными 0,4-0,6 м.

Для достижения максимально высокой точности распространения государственной системы координат на всю территорию бывшего СССР было выполнено совместное уравнивание всех трех независимых геодезических построений - АГС, ДГС и КГС.

В результате совместного уравнивания АГС, ДГС и КГС была построена геодезическая сеть, содержащая 134 пункта при среднем расстоянии между смежными пунктами 400-500 км. С целью контроля геоцентричности системы координат в совместное уравнивание включены независимо определенные геоцен­трические радиус-векторы 35 пунктов КГС и ДГС, удаленных один от другого на расстояния порядка 1000 км. Высоты квази­геоида над общим земным эллипсоидом для них получены гра­виметрическим методом, а нормальные высоты - по данным геометрического нивелирования.

Сеть из 134 пунктов с согласованной системой плановых координат и высот была использована как жесткая основа в последующем заключительном уравнивании всех 164306 пунктов триангуляции и полигонометрии 1 и 2 классов.

Точность определения взаимного планового положения пунктов, полученная из заключительного уравнивания АГС на эпоху 1995 года, характеризуется средними квадра-тическими ошибками:

• 0,02 - 0,04 м - при расстояниях до нескольких де­сятков километров;

• 0,3 - 0,8 м - при расстояниях от I до 9 тысяч км.

Объем измерительной астрономо-геодезической ин­формации, обработанной при совместном уравнивании АГС, ДГС и КГС для установления системы координат 1995 года, превышает на порядок объем измерительной информации, использованной для установления системы координат 1942 года.

4.2. Современные методы создания опорных геодезических и геодинамических сетей

Наблюдаемое прогрессирующее развитие многопрофильного городского хозяйства, характерного для “многих городов России, обуславливает необходимость создания на территории таких городов специализированных опорных геодезических сетей, их специфика состоит, прежде всего, в том, что к ним предъявляются различные требования со стороны городских организаций, заинтересованных в получении информации о координатах тех или иных пунктов города. В частности, такое различие, относящееся, в первую очередь, к точности координатных определений и к плотности расположения пунктов в создаваемых геодезических сетях, возникает при решении задач, связанных с определением административных границ, при инвентаризации земельных участков на территории города, и процессе выполнения различных градостроительных работ (в том числе при создании таких крупных инженерных сооружении, как метрополитен). В этом круге задач повышенного внимания заслуживают проблемы мониторинга деформационных процессов, происходящих в приповерхностных геологических структурах, которые могут провоцировать различного рода разрушения и ухудшения экологической обстановки.

Oтмеченное выше разнообразие требований к геодезической информации привело к тому, что на протяжении многих лет на территориях городов создаются независимые друг от друга геодезические сети с весьма противоречивыми данными о координатах тех или иных пунктов. Примером таких недостаточно обоснованных организационных подходов может служить Москва, на территории которой, начиная с 30-х годов прошлого столетия, стали создаваться независимые опорные геодеэические сети такими ведомствами, как Московский городской геодезический трест, Метрополитен и Государственная геодезическая служба, Эти сети оказались различными не только по точности координатных определений, но и базировались на использовании различных референц-эллипсоидов (в частности, Мосгоргеотрест до настоящего времени использует эллипсоид Бесселя, а Государственная геодезическая служба - эллипсоид Красовского), а также различных исходных высотных отметок. Невозможность сопоставления данных, относящихся к различным ведомственным сетям, зачастую приводит к различным конфликтным ситуациям.

С учетом вышеизложенного Правительство Москвы поставило перед нашим университетом задачу создания единой опорной геодезической сети, удовлетворяющей запросам различных заинтересованных организаций. Такая сеть была построена специалистами МИИГАиК на основе использования современных спутниковых методов о чем уже сообщалось в печати (см. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, № 1(8), 1997, стр.59-60). Специфика создания такой сети состояла в том, что она объединила пункты сетей различных ведомств. В неё вошли 70 пунктов сети Мосгоргеотреста, 63 пункта сети Метрополитена, 68 пунктов Государственной геодезической службы. При её построении наряду с современными спутниковыми технологиями использовались данные высокоточного нивелирования и специальные методы гравиметрических измерений. Точность созданной сети оценивается ср. кв. ошибками на уровне около 5 мм или в относительной мере - на уровне 5-10 -7, что практически на порядок выше, чем точность ранее созданных сетей, базирующихся на использовании традиционных геодезических методов.

При анализе результатов полученных данных выявилось существенное систематическое расхождение с каталожными данными Государственной геодезической службы, относящимися к системе СК-42 (расхождения в длинах сторон соседних пунктов, относящихся к сети 1 класса, достигали 20 см и более). Эта информация послужила толчком для переосмысления роли уравнивания всей опорной сети страны и для ускорения введения модернизированной координатной системы СК-95, базирующейся на спутниковых технологиях, в которых устранена погрешность линейного масштабирования.

Накопленная к настоящему времени информация об особенностях построения опорных городских геодезических сетей традиционными наземными методами в других городах свидетельствует об аналогичном повсеместном организационном подходе к решению этой проблемы.

Рассмотрим теперь, вкратце, технические особенности координатных определений, которые приходится учитывать при создании опорных геодезических сетей с применением современных спутниковых технологий.

При выборе принципов построения локальных геодезических сетей в городах нельзя не учитывать тот общеизвестный факт, что применительно к спутниковым методам координатных определений их точность в меньшей степени зависит от геометрии построения сети. Поэтому выбор мест расположения пунктов сети определяется удобством подъезда к ним, возможностями закрепления геодезических центров на крышах зданий, обеспечением благоприятных условий для проведения спутниковых наблюдений и другими побочными факторами. Вместе с тем при проектировании сети стремятся к равномерному распределению пунктов в сети, что обеспечивает определенные удобства при её дальнейшей эксплуатации.

Сравнение различных подходов к методам построения сетей с использованием спутниковых технологий в городских условиях свидетельствует о том, что предпочтения заслуживают двухступенчатые методы, при реализации которых па первом этапе создается каркасная сеть, включающая в себя сравнительно небольшое количество надежно закрепленных референцных пунктов, удаленных друг от друга на 10-15 км.

На втором этапе формируется сеть требуемой плотности (применительно к крупным городам расстояние между пунктами выбирается равным 3-5 км). При организации спутниковых наблюдений в такой сети в каждый сеанс включается не менее двух-трёх пунктов, входящих в каркасную сеть. Такой двухзвенный подход позволяет в сравнении с лучевым методом, основанном на применении одного референцнго пункта, существенно сократить протяженность измеряемых базисных линий и, как следствие - повысить точность и надежность координатных определений за счет возможности использования нескольких независимых измерений.

Входящий в создаваемую сеть референцные пункты привязываются к одному или к нескольким пунктам, входящим в континентальную или глобальную сеть, на которой проводятся постоянные спутниковые наблюдения, организованные Международной службой JYS. Такая привязка позволяет согласовать получаемые результаты с координатами пунктов окружающих сетей.