Тема 1. Введение в предмет (2 часа) (стр. 1 )

Тема 1. Введение в предмет (2 часа)

Объект и предмет исследования. Основные задачи и методы современной геодезии.

Перевод геодезической отрасли на спутниковые методы решения научных и практических задач геодезии. Основные проблемы, возникающие при согласовании существующей государственной координатной основы с результатами спутниковых средств измерений.

Новые технические методы, основанные на использовании глобальных навигационных спутниковых систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS, а также специальных геодезических ИСЗ, таких, например, как ЛАГЕОС, ЭТАЛОН и Гео-ИК заставляют геодезистов отказываться от традиционных методов решения научных и технических задач и переходить к методам, основанным на спутниковых технологиях.

Основная научная задача геодезии на современном этапе её развития заключается в создании четырехмерной системы отсчета, единой для всей Земли и соответствующей этой системе модели внешнего гравитационного поля Земли. Создание такой системы можно реализовать с необходимой для целей геодинамики и геотектоники точностью только при учете обстоятельств суточного вращения Земли и движения её полюсов.

Особой проблемой при этом является выбор и применение временных шкал, поскольку временная шкала, применяемая для решения научных задач геодезии обязательно должна отражать неравномерности вращения Земли.

В настоящее время существует, по меньшей мере, три координатные системы, с которыми приходится работать российским геодезистам. Координатная система ПЗ-90, созданная в России используется при работе с отечественной спутниковой навигационной системой ГЛОНАСС, координатная система WGS-84 положена в основу функционирования американской СНС GPS. Государственная геодезическая сеть России создана в системе координат 1942 года на эллипсоиде , размеры которого значительно отличаются от принятых в системах ПЗ-90 и WGS-84. Поэтому одной из задач дисциплины “Современные геодезические методы создания координатной основы” является изучение методов определения параметров преобразования координатных систем в её наиболее общей постановке.

Цель данного курса состоит в получении студентами общего и в тоже время концентрированного представления о современных геодезических методах создания и развития трех - и четырехмерной координатной основы на физической поверхности Земли для решения научных и практических задач геодезии.

Основными задачами дисциплины являются:

- закрепление знаний по основным принципам (математических и технологических) создания геодезической координатной основы на поверхности Земли, как с помощью традиционных (классических) средств измерений (триангуляция, трилатерация, полигонометрия, нивелирование, астрономические и гравиметрические определения), так и с помощью спутниковых средств измерений (ГНСС-измерения, лазерная дальнометрия, радиоинтерферометрия квазаров).

- получение цельного представления о взаимосвязи традиционных и современных спутниковых координатных определений (взаимное трансформирование координат, полученных спутниковыми и классическими методами).

Литература

1.  Антонович спутниковых радионавигационных систем в геодезии // Монография в 2-х томах. М. ». -2005, 2007 гг -

2. Морозов сфероидической геодезии. М. Недра, 1979 г.

3. Пеллинен геодезия (Теоретическая геодезия). М. Недра, 1978 г.

4. Практикум по высшей геодезии (под редакцией ).М. Недра,1982

5. , Елагин геодезия и основы координатно-временных систем – Новосибирск: СГГА, 2004. – 238 с.

6. Яковлев геодезия. М.: Недра, 1989 г.

7. Красовский сочинения. тт. I-IV. М. Недра,1955 г.

8. , Гриднев . – М.: Академический проект. – 2007. – 592 с.

9. Макаренко, государственная система геодезических координат 1995 года (СК-95) [Текст] / , , и др. Под ред. . – М.: Федерал. служба геодезии и картографии России. – 2000. – 34 с.

10.  Основные положения о государственной геодезической сети России. М. 2004 г.

11.  Машимов теории геодезии М.: Недра. 1982.

12.  Герасимов Уравнивание геодезических сетей

13.  Герасимов Спутниковые геодезические сети

14.  . Спутниковая геодезия. (Теоретические основы). М.: Мир. – 1976.

15.  Основы спутниковой геодезии // и др. М.: Недра. – 1974.

Тема 2. Традиционные принципы (методы) создания на территории России трехмерной координатной основы в соответствии с теорией (3 часа)

Принципы (методы) создания плановой основы: астрономо-геодезическая сеть (АГС) - сеть триангуляции и полигонометрии 1 и 2 классов, государственные геодезические сети сгущения (ГГС) - триангуляция и полигонометрия 3 и 4 классов, полигонометрия I и II разрядов. Схема уравнивания государственной плановой основы (ГПО).

Принципы (методы) создания государственной высотной основы (ГВО): государственная нивелирная сеть (ГНС) - нивелирование I – IV классов. Принцип измерения (определения) разности высот. Роль гравиметрических измерений в определении разности высот. Системы высот (нормальная, ортометрическая, динамическая). Проблема определения ортометрических высот. Балтийская система высот 1977 года. Современный подход к установлению исходного уровня для отсчета высот. Схема уравнивания высотной основы.

Основные достоинства и недостатки традиционной плановой (ГПО=АГС+ГГС) и высотной (ГВО=ГНС) государственной координатной основы (ГКО=ГПО+ГВО). Проблема образования из государственной координатной основы единой трехмерной системы отсчета.

2.1 Государственная геодезическая сеть (ГГС) - назначение, требуемая точность построения и плотность пунктов

Государственная геодезическая сеть (далее - ГГС) представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных равномерно по всей территории и закрепленных на местности специальными центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени.

ГГС включает в себя также пункты с постоянно действующими наземными станциями спутникового автономного определения координат на основе использования спутниковых навигационных систем с целью обеспечения возможностей определения координат потребителями в режиме, близком к реальному времени.

ГГС предназначена для решения следующих основных задач, имеющих хозяйственное, научное и оборонное значение:

·  установление и распространение единой государственной системы геодезических координат на всей территории страны и поддержание ее на уровне современных и перспективных требований;

·  геодезическое обеспечение картографирования территории России и акваторий окружающих ее морей;

·  геодезическое обеспечение изучения земельных ресурсов и землепользования, кадастра, строительства, разведки и освоения природных ресурсов;

·  обеспечение исходными геодезическими данными средств наземной, морской и аэрокосмической навигации аэрокосмического мониторинга природной и техногенной сред;

·  изучение поверхности и гравитационного поля Земли и их изменений во времени;

·  изучение геодинамических явлений;

·  метрологическое обеспечение высокоточных технических средств определения местоположения и ориентирования.

Геодезические сети подразделяются на

1. Государственную геодезическую сеть ГГС,

2. Геодезические сети местного значения (сети сгущения),

3. Съемочные сети.

ГГС служит основой для решения научных и научно-технических задач общегосударственного значения. Она является главной геодезической основой для топографических съемок всех масштабов. Она подразделяется на 1, 2, 3 и 4 классы.

Обычные требования к густоте пунктов ГГС:

- для съемок 1:25000 – 1:10000 – 1 пункт на 50 – 60 кв. км (1 – 3 класса),

- 1:5000 – 1 пункт на 20 – 30 кв км

- 1:2000 и крупнее 1 пункт на 5 – 15 кв. км.

В городах с числом жителей более 100000 5 – 15.

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

2.2. Структура и точность государственной геодезической сети по состоянию на 1995 год

ГГС, созданная по состоянию на 1995 года, объединяет в одно целое:

астрономо-геодезические пункты космической геодезической сети (далее - АГП КГС); п = 26 доплеровскую геодезическую сеть (далее - ДГС); п = 131 астрономо - геодезическую сеть (далее - АГС) 1 и 2 классов; п = 164306 геодезические сети сгущения (далее - ГСС) 3 и 4 классов, п = 300000

Пункты указанных построений совмещены или име­ют между собой надежные геодезические связи.

Космическая геодезическая сеть представляет собой глобальное геодезическое построение. Координаты ее пунктов определены по доплеровским, фотографическим, дальномерным радиотехническим и лазерным наблюдениям искусственных спутников Земли (далее - ИСЗ) системы геодезического измерительного комплекса (далее - ГЕОИК). Точность взаимного положения пунктов при рас­стояниях между ними около 1...1,5 тыс. км характеризуется средними квадратическими ошибками, равными 0,2. ..0,3 м.

Из всего состава глобальной космической геодезической сети в ГГС по состоянию на 1995 год включены данные о 26 стационарных астрономо-геодезических пунктах, расположенных в границах АГС.

Доплеровская геодезическая сеть представлена 131 пунктом, взаимное положение и координаты которых определе­ны по доплеровским наблюдениям ИСЗ системы Транзит. Точ­ность определения взаимного положения пунктов при среднем расстоянии между пунктами 500...700 км характеризуется сред­ними квадратическими ошибками, равными 0,4...0,6 м.

Астрономо-геодезическая сеть состоит из 164306 пунктов и включает в себя:

• ряды триангуляции 1 класса, сети триангуляции и полигонометрии 1 и 2 классов, развитые в соответствии с нормативными документами;

• траверсы полигонометрии 1 класса, базисы космиче­ской триангуляции большой протяженности, проложенные в соответствии со специальными техническими указаниями.

Полученные из уравнивания средние квадратические ошибки измеренных углов на пунктах АГС 1 и 2 классов равны 0,74" и 1,06" соответственно.

Астрономо-геодезическая сеть 1 и 2 классов содержит 3,6 тысячи геодезических азимутов, определенных из астрономических наблюдений, и 2,8 тысячи базисных сторон, расположенных через-170...200 км.

Точность выполненных в АГС астрономических оп­ределений координат характеризуется следующими сред­ними квадратическими ошибками:

•  астрономической широты - 0,36",

•  астрономической долготы - 0,0435.

Средние квадратические ошибки измерений астро­номических азимутов и базисов, полученные по результатам уравнивания, соответственно равны 1,27" и 1:

Точность определения взаимного планового положения пунктов, полученных в результате выполненно­го в 1991 году общего уравнивания АГС как свободной сети, характеризуется в собственной системе координат средними квадратическими ошибками:

•  0,02...0,04 м для смежных пунктов,

•  0,25...0,80 м при расстояниях от 500 до 9 000 км.

Высоты квазигеоида над референц-эллипсоидом Красовского определены методом астрономо-гравиметрического нивелирования.

Сеть линий астрономо-гравиметрического нивелирования покрывает всю территорию страны и образует 909 замкнутых полигонов, включающих 2897 астрономических пунктов. При вы­числениях превышений квазигеоида использованы данные гравиметрических съемок масштаба 1:1 и крупнее.

Точность определения превышений высот квазигеоида характеризуется средними квадратическими ошибками:

•  0,06...0.09 м при расстояниях 10...20 км,

•  0,3...0,5 м при расстоянии около 1000 км.

Геодезические сети сгущения 3 и 4 классов включают в себя около 300 тысяч пунктов. Эти сети созданы метода­ми триангуляции, полигонометрии и трилатерации в соответст­вии с "Основными положениями о построении государственной геодезической сети СССР", 1954 и 1961 г. г.

Плотность пунктов ГТС 1, 2, 3 и 4 классов, как правило, составляет не менее одного пункта на 50 кв. км.

На пунктах геодезических сетей 1,2,3 и 4 классов в соответствии с “Инструкцией о построении государственной геодезической сети Союза ССР”, М., Недра, 1966 г. определены по два ориентирных пункта с подземными центрами.

Нормальные высоты верхних марок подземных центров пунктов ГГС определены из геометрического или тригонометрического нивелирования.

Существующая плотность ГГС при условии применения современных спутниковых и аэросъемочных технологий обеспечивает решение задач картографирования и обновления карт всего масштабного ряда до 1:500 для го­родов и 1:2 000 для остальной территории.

2.3 Традиционные методы построения плановой основы - триангуляция, полигонометрия, трилатерация.

2.3.1. Основные принципы организации геодезических измерений

В теоретических исследованиях и практике геодезических работ особое внимание уделяется определению взаимного положения точек, как в плановом отношении, так и по высоте. Многолетний опыт выполнения такого рода работ позволил выработать основные принципиальные положения, которые следует неукоснительно соблюдать при организации геодезических измерений. Это позволяет свести к минимуму неизбежные ошибки, не допустить накопления погрешностей при переходе от точки к точке, полностью избавиться от грубых промахов. Такими принципами являются:

переход «от общего к частному»;

систематический контроль всех видов работ.

Принцип перехода от общего к частному позволяет существенно уменьшить накопление погрешностей измерений. В соответствии с этим принципом геодезические построения не должны быть однородными, а наоборот, должны создаваться в несколько этапов. Пусть, например, требуется определить взаимное плановое положение множества точек 1, 2, 3… Сначала выберем несколько точек, взаимное положение которых определим с самой высокой точностью. Следует иметь ввиду, что высокоточные геодезические работы очень дороги, поэтому охватить ими сразу все точки было бы нерационально. Затем построим геодезическую сеть, включающую в себя пункты 1, 2, 3, 4, 5, … , 12. эта сеть будет иметь в качестве исходных данных координаты точек 1-4, которые, образуя своеобразный жесткий каркас, не позволят новой сети деформироваться под влиянием погрешностей измерений. На следующем этапе дальнейшее сгущение сети, добавив точки 13, 14, … , 25. построение, состоящее из точек 1-25, будет опираться на пункты 1-12, полученные на первых двух этапах. Можно представить себе четвёртый, пятый и т. д. этапы сгущения сети, проводимые до тех пор, пока расстояния между точками не достигнут величины, необходимой для производства съёмок местности, разбивок сооружений и т. д. Построение геодезической сети по рассмотренной выше схеме в соответствии с принципом перехода от общего к частному требует, чтобы точность каждого предыдущего этапа была бы выше точности последующего ровно на столько, насколько это необходимо для того, чтобы погрешностями исходных данных можно было бы пренебречь.

Принцип систематического контроля требует так организовать геодезические работы, чтобы на всех их стадиях и этапах каждый результат измерений, вычислений и построений был бы надежно и неоднократно проконтролирован.

Геодезические сети представляют собой систему точек, определенным образом размещенных и закрепленных на местности. Положение этих точек в результате выполнения геодезических измерений и вычислений должно быть найдено в единой системе координат и высот. Геодезические сети, для точек которых получены только координаты x,y или только высоты Н, называют плановыми или высотными. Если пункты, закрепленные на местности, имеют все три координаты x, y, H, то образующие их геодезические сети называют планово-высотными. В зависимости от роли в общей системе создания геодезической основы на данной территории, точности, назначения и густоты геодезической сети в соответствии с современной классификацией делят на государственные геодезические, сгущения, специальные и съёмочные.

Государственная геодезическая сеть представляет собой общегосударственную главную геодезическую основу. В тех местах, где плотность пунктов главной геодезической основы недостаточна для выполнения тех или иных геодезических работ, сети сгущения. Специальные геодезические сети развивают в связи со строительством инженерных сооружений или проведением каких-либо других работ, предъявляющих к геодезическому обеспечению особые требования. Съёмочные геодезические сети представляют собой систему пунктов, непосредственно с которых выполняют съёмку местности, перенесения в натуру проекта сооружения, различные контрольные измерения и т. п. По этой причине съёмочные сети называют рабочей геодезической основой.

Кроме перечисленных выше способов классификации, геодезические сети подразделяются в зависимости от способа их построения.

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.

2.3.2. Способы определения положений опорных пунктов

Астрономический способ заключается в определении астрономических координат j, l, от которых переходят к геодезическим координатам B,L путем наблюдения небесных светил. По результатам астрономических наблюдений определяют также геодезические азимуты А направлений на пункты. Кроме того, азимуты могут быть получены с помощью гирокомпасов и гиротеодолитов. В дальнейшем от геодезических координат можно перейти к плоским координатам x,y а от геодезического азимута – к дирекционному углу а.

Достоинство данного способа – независимое определение координат, то есть метод является автономным. Другой плюс – точность не зависит от места пункта в сети, - работает уравнение Лапласа:

(1)

(2)

Недостаток – сравнительно невысокая точность. Например, СКП для широты 0.3”, что соответствует примерно 10 м на местности. Еще один недостаток, особенно при гироопределениях, необходимо учитывать уклонения отвесных линий.

Геодезический способ состоит в том, что из астрономических определений находят прямоугольные координаты только отдельных (исходных) пунктов системы. Остальные пункты опорной сети связывают с исходным путем выполнения на земной поверхности измерений сторон и углов геометрических фигур, вершинами которых являются опорные пункты. Такая схема ограничивает накопление погрешностей, обеспечивает надежный контроль измерений, позволяет выполнять независимо геодезические работы на различных участках. Этот метод является основным на территории нашей страны. Исключением являются горные и арктические районы, где астрономический метод предпочтительнее.

Спутниковый способ основан на определении координат точек из обработки наблюдений ИСЗ. Применяемые в настоящее время системы ГЛОНАСС и GPS (ГНСС) позволяют в любой момент времени и в любом месте земного шара определять координаты точек с погрешностями до нескольких сантиметров.