Куштин - Инженерная геодезия

И.Ф. Куштин, В.И. Куштии
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДЕЗИЯ
Рекомендовано учебно-методическим объединением в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Строительство»
Ростов-на-Дону Феникс 2002

Изложены общие сведения но геодезии, топографии, теории ошибок измерений, вопросы использования инженерно-геодезических работ в строительстве. Описаны методы разбивочных работ, геодезического обеспечения строительства гражданских и промышленных зданий, линейных сооружений, вопросы  наблюдения за деформациями сооружений, геодезического  обеспечения кадастра. Дан раздел геодезического использования  спутниковых технологий.

Для студентов строительных специальностей вузов. Может быть использован студентами геодезических специальностей вузов, студентами техникумов, колледжей и работниками геодезического производства.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник предназначен в первую очередь студентам  строительных и других специальностей, изучающих курс «Инженерная геодезия». В первом разделе даны общие сведения по геодезии, топографии, теории ошибок измерений. Многие вопросы этого раздела изложены достаточно подробно, что позволяет рекомендовать учебник при изучении курса геодезии студентами геодезических специальностей.

Второй раздел учебника посвящен  инженерно-геодезическим работам в строительстве. Изложены методы разбивочных работ, исполнительных съемок, геодезического обеспечения строительства гражданских и промышленных зданий, линейных сооружений и т.п.

Изложены вопросы геодезического обеспечения кадастра, наблюдения за деформациями сооружений.

Рассмотрены вопросы геодезического использования  спутниковых технологий.

Учебник может быть использован широким кругом специалистов геодезического производства.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГЕОДЕЗИИ . ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ГЕОДЕЗИИ, ТОПОГРАФИЧЕСКИХ КАРТАХ И ТЕОРИИ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Сведения о фигуре Земли и системах координат

I. Предмет геодезии

Геодезия - наука об измерениях, средствах измерений и  математической обработке результатов этих измерений, выполняемых для решения различных научных, производственных и  оборонных задач: для определения формы, размеров и  гравитационного поля Земли, планет и спутников Солнечной системы, для определения координат точек на поверхности Земли и в околоземном пространстве, для создания планов, карт, профилей и математических моделей местности, для выполнения  инженерно-геодезических работ при изысканиях, проектировании,  строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.

Геодезия имеет широкое применение в различных областях науки, производства и в военном деле. Топографические карты используют при планировании и размещении производительных сил государства, при разведке и эксплуатации природных  ресурсов, в архитектуре и градостроительстве, при мелиорации  земель, землеустройстве, лесоустройстве, земельном и городском кадастре. Геодезия используется при строительстве зданий,  мостов, тоннелей, метрополитенов, шахт, гидротехнических  сооружений, железных и автомобильных дорог, трубопроводов,  аэродромов, линий электропередач, при определении деформаций зданий и инженерных сооружений, при строительстве плотин, при решении задач оборонного характера.

Геодезия — греческое слово, означающее «землеразделение», является одной из древнейших наук о Земле, имеет многовековую историю. В процессе своего развития содержание предмета обогатилось, расширилось и в связи с этим возникло несколько научных и научно-технических дисциплин. Высшая геодезия, используя результаты высокоточных геодезических, астрономических, гравиметрических и спутниковых измерений, изучает форму, размеры и гравитационное поле Земли и планет Солнечной системы, занимается созданием  государственных опорных геодезических сетей, изучением  геодинамических явлений, решением различных геодезических задач на поверхности эллипсоида и в пространстве. Космическая геодезия - наука, изучающая использование результатов наблюдений искусственных и естественных  спутников Земли для решения научных и научно-технических задач геодезии. Наблюдения выполняют как с поверхности планеты, так и непосредственно на спутниках.

Топография рассматривает измерения, выполняемые для создания планов и карт сравнительно небольших участков  земной поверхности. Фотограмметрия изучает формы, размеры, положение, динамику и другие качественные и количественные  характеристики объектов по их фотографическим изображениям. Фотограмметрические методы применяют в различных областях науки и техники; в топографии и геодезии, астрономии, архитектуре, строительстве, географии, океанологии, медицине,  криминалистике, космических исследованиях и др. Такое широкое  применение объясняется объективностью, достоверностью и  быстротой получения информации обо всем объекте или отдельных его частях, возможностью бесконтактных исследований явлений и процессов, высокой точностью и производительностью. Инженерная геодезия изучает геодезические работы при изысканиях, проектировании, строительстве, реконструкции, монтаже и эксплуатации различных инженерных сооружений и технологического оборудования, при разведке и добыче природных богатств страны и ее недр, при создании уникальных объектов и т.п.

2. Задачи инженерной геодезии. Инженерная геодезия решает следующие задачи:

1) геодезические изыскания, включающие создание  топографических планов и карт, профилей, математических моделей местности;

2) инженерно-геодезическое проектирование зданий и  сооружений;

3) разбивка сооружений, т.е. вынесение на местность основных и дополнительных осей и контуров запроектированных объектов;

4) геодезическое обслуживание строительства для обеспечения геометрических форм и размеров возводимых сооружений на местности;

5) обеспечение геометрических параметров монтажа и  наладки оборудования;

6) исполнительная съемка, определение соответствия построенного сооружения его проекту;

7) исследование в процессе эксплуатации деформаций  зданий и сооружений и их частей, возникающих под влиянием различных факторов.

3. Краткий исторический очерк о развитии геодезии

Определением формы и размеров Земли занимались в  древнейшие времена и продолжают заниматься до настоящего  времени. Можно выделить четыре основных этапа решения этой проблемы [10]:

1) с древнейших времен до конца XV1T в., когда Землю принимали за шар;

2) с конца XVII в. до второй половины XIX в, когда считали, что Земля является сплюснутым у полюсов шаром, т.е. сфероидом, близким к эллипсоиду вращения;

3) со второй половины XIX в до сороковых годов XX в., когда установили, что более правильно представлять Землю трехосным эллипсоидом, который является моделью более сложной формы Земли - геоида;

4) с сороковых годов XX в до настоящего времени, когда за фигуру Земли принимают тело, ограниченное физической  поверхностью Земли.

В VI в. до н.э. мысль о шарообразности Земли высказал  Пифагор (около 571-497 гг.). Он считал, что в природе все должно быть совершенным, наиболее совершенным из геометрических тел является шар, потому Земля должна быть шаром.

В IV в до н.э. Аристотель C84-322 гг. до н.э.), наблюдая за  постепенным исчезновением в море корабля (сначала нижней, а затем верхней его части), пришел к выводу, что Земля - всюду выпуклое тело. Наблюдения за лунными затмениями показали, что  отбрасываемая на поверхность Луны тень Земли всегда имеет форму круга, что возможно только при шарообразности Земли.

Расстояние S =5000 греческих стадий от Сиены до  Александрии Эратосфен определил по временя перехода каравана верблюдов из Сиены в Александрию и обратно и средней скорости перехода - по рассказам купцов. Стадией греки считали расстояние, равное примерно 158-185м, которое человек спокойным шагом мог пройти от момента появления Солнца над горизонтом до момента появления всего диска Солнца.

После Эратосфена греки и арабы несколько раз определяли размеры радиуса Земли. В 827 г. н.э. арабским калифом Аль-Мамуиом G86-833 гг.), сыном известного Гарун-аль-Рашида, в Месопотамии к северу и к югу от пункта с широтой 35° были измерены дуги меридиана в 1°, угловые и линейные измерения были выполнены с высокой для того времени точностью, радиус Земли, вычисленный по результатам этих измерений, оказался равным 6406 км, т.е. близким к современным данным (для 35° средний радиус R=6371 км), т.е. разность равна 35 км, радиус получен с ошибкой менее 0,6%.

Эпоха мрачного средневековья. По образному выражению С.Цвейга (Цвейг С. Америго. - М, Географиздат, 1960г.) «дух человеческий парализован как после смертельно опасной  болезни, человечество больше ничего не желает знать о мире, который оно населяет. И самое удивительное - все, что люди знали ранее, непонятным образом ими забыто».

Только в эпоху великих географических открытий, т.е. в период Возрождения, наступает новый расцвет наук и искусств. Кругосветное путешествие Магеллана в 1519 - 1522 г.  подтвердило шарообразность Земли.

Развитие мореплавания требовало подробных и точных карт, при создании которых необходимы более точные данные о  размерах земного шара. Были попытки новых определений  размеров Земли. Наиболее точное определение было выполнено  французским ученым и придворным врачом Жаном Френелем 1497 - 1558 гг.), определившим дугу меридиана между Парижем и Амьеном, длина дуги в 1° оказалась равной 56747 тоазам  (1 тоаз = 1,94904 м), т.е. 110,6 км, по сравнению с современными данными ошибка составила 0,1%.

Предложенный в 1614 г. голландским астрономом и  математиком Снеллиусом A580 - 1626 гг.) метод триангуляции, позволяющий довольно точно определять на местности длины дуг меридианов в сотни и тысячи километров, явился началом новой эпохи в истории градусных измерений.

Французский академик Жак Пикар A620 - 1682 гг.) впервые использовал геодезические приборы со зрительными трубами и сеткой нитей (прообраз современных теодолитов) и в 1669 - 1670гг. повторил градусные измерения Френеля между Парижем и Амьеном, создав цепь из 13 треугольников, определив длину одного градуса дуги парижского меридиана, равную II 1,212 км (по современным данным 112,221 км), т.е. с ошибкой 9 м. 

Определенный им радиус Земли оказался равным 6372 км. Работами Ж. Пикара завершился первый, 2000 - летний, период изучения Земли как правильного шара.

Второй период изучения формы и размеров Земли связан с работами великого английского ученого И.Ньютона 1642 - 1727 гг.), который показал, что фигурой равновесия жидкого тела, в котором силы притяжения направлены по радиусам в центр, является шар. На вращающийся жидкий шар кроме силы тяжести действуют центробежные силы, возрастающие от полюсов к экватору и стремящиеся приплюснуть шар у полюсов. В результате фигурой равновесия вращающегося жидкого тела становится эллипсоид вращения с малым сжатием, и сила тяжести возрастает от экватора к полюсам.

Хотя теория Ньютона подтверждалась открытием вращения и сжатия Юпитера и наблюдавшимся отставанием маятниковых часов при перемещении от полюсов к экватору, в связи с уменьшением силы тяжести, она вызывала ожесточенные споры. Для проверки теории Ньютона Парижская академия наук для  выполнения градусных измерений организовала две экспедиции: в 1735 году в экваториальную область Перу и в 1736 году в Лапландию. Первая экспедиция за 8 лет измерила дугу меридиана в 3°07' - 350 км, вторая - за полгода дугу в 1°. Результаты этих экспедиций подтвердили теорию Ньютона.

В 1792 - 1797 гг. по решению революционного Конвента французские ученые Деламбр A749 - 1822 гг.) и Мешен 1744 - 1804 гг.) за 6 лет измерили дугу парижского меридиана длиной в 9°40' A000 км) от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании. Эти работы были выполнены для определения длины метра, равного одной десятимиллионной части половины парижского меридиана Плоскость меридиана, проходящая через данную точку и ось вращения эллипсоида, при пересечении с поверхностью  эллипсоида образует эллипс, который осью вращения делится пополам, каждую половину такого эллипса называют меридианом. К сожалению, во многих литературных источниках метр  определяют как одну десятимиллионную часть не половины, а четверти парижского меридиана.

Крупнейшие градусные измерения в XIX в. были выполнены в пограничных западных районах России под руководством известных русских астрономов и геодезистов: первого директора Пулковской обсерватории ВЛ. Струве A793 - 1864 гг.) и генерала К.И. Теннера A783 - 1860 гг.). Продолженная через Швецию и Норвегию Зеландером A804 - 1870 гг.) и X. Гастином 1784 - 1873 гг.) дуга меридиана от северного побережья Норвегии до берегов Дуная в Бессарабии имела протяженность 25°20' по широте. Все работы по созданию "дуги Струве" были выполнены с 1816 по 1852 г. По глубине научных разработок, тщательности и объему выполненных работ "дуга Струве" была уникальной и не потеряла своей ценности до настоящего времени,  использовалась при определении параметров земного эллипсоида в нашей и многих других странах.

Следует отметить два небольших, но важных градусных  измерения, выполненных в 1822 - 1823гг. крупнейшим немецким ученым К. Гауссом 1777 — 1855 гг.) в Ганновере - длина дуги 2°01' - и в 1931 - 1934 гг. известным немецким ученым Бесселем 1784 - 1846 гг.) в Восточной Пруссии - длина дуги 3°04'. 

Ценность этих работ связана с разработкой новых, более совершенных методов измерений и способов обработки результатов этих измерений, образцовым исполнением высокоточных геодезических работ.

Большие градусные измерения с 1800 по 1900 гг. выполнены англичанами в Индии, получившими ряд дуг размером 10-20" по меридианам и параллелям.

Во второй половине XIX в. по инициативе В.Я. Струве  выполнены крупнейшие градусные измерения по параллели 47—48" от Бреста до Франции, через Париж - Вену - Ростов-на-Дону - Астрахань и по параллели 52° — от западных берегов Ирландии

через Лондон - Берлин - Варшаву - Гродно - Бобруйск - Орел - Саратов - Оренбург - Орск.

В конце XIX начале XX века большие работы по градусным измерениям по меридианам и параллелям выполнены в США: трансконтинентальная дуга по параллели со средней широтой 39° протяженностью в 48°46' и по меридиану 98° от берегов  Мексиканского залива до границы с Канадой (длина дуги в 33°). В конце ХIХ в. англичане начали градусные измерения в Африке от мыса Доброй Надежды до Каира. В XX в. продолжаются построения рядов триангуляции на всех континентах и в ряде стран - сплошных сетей триангуляции. Большой объем градусных измерений выполнен в СССР, они проводились по специальной программе, отличаясь высоким научным уровнем,  единообразием методов, применением новейших приборов и  современных способов измерений. Построение классической астрономо-геодезической сети в России и СССР было выполнено к 1991 г. При создании астрономо-геодезической сети  выполнялись не только геодезические и астрономические, но и гравиметрические определения ускорения силы тяжести.

Результаты градусных измерений были использованы при выводе параметров земного эллипсоида.

В середине XIX в. закончился второй этап в изучении  фигуры Земли, стало ясно, что эллипсоид вращения лишь приближенно описывает действительную фигуру Земли. Первые представления фигуры Земли трехосным эллипсоидом были сделаны в 1860 г. русским геодезистом Ф.Ф. Шубертом A789 - 1865 гг.) и в 1878 г. английским ученым Кларком. Но и трехосный эллипсоид недостаточно точно представлял действительную Землю. Современный период в изучении фигуры Земли связан с  работами Ф.Н. Красовского A878 - 1948 гг.) и М.С. Молоденского. М.С. Молоденский разработал метод точного определения физической поверхности Земли, основной задачей при изучении  фигуры Земли становится изучение поверхности Земли, ее  гравитационного поля.

Использование спутниковых технологий позволило разработать новые независимые методы определения фигуры Земли. Путем использования спутниковых, астрономических, геодезических и гравиметрических методов были определены  геодезические модели Земли, принятые в качестве международных:  геодезическая референц - система 1980 г. — а = 6378137, а = 1:298,257. Система геодезических параметров Земли ПЗ-90 имеет параметры : а = 6378136, а = 298,257839303. В последнее время в России создана и внедряется система координат СК-95, Градусные измерения, используемые в научных целях, позже стали применяться для создания опорной геодезической сети.

Большое применение эти работы получили после  наполеоновских войн и в связи с фундаментальными исследованиями Гаусса, Бесселя, Струве.

В развитых странах появились учреждения, чате военные, по картографированию территорий, т.е. по выполнению основных работ (астрономо-геодезическое обоснование), топографических съемок и изданию карт различных масштабов.

В России в 1822 г. на основе Военно-топографического депо был создан Корпус военных топографов. До этого картографированием территории России занимался Географический департамент Петербургской Академии наук. Первые топографические съемки в России были выполнены при Петре I в 1696 г. на Дону и в 1715 г. на Иртыше.

Первые систематические работы по развитию сетей триангуляции в России связаны с К.И. Теннером (территории бывшей Виленской губернии) и ВЛ. Струве (Прибалтийские губернии).

В течение XIX в. Корпус военных топографов выполнил большие работы по развитию сетей триангуляции в пограничных и центральных районах страны по созданию карт различных масштабов на эти территории. При выполнении этих работ  использовались различные эллипсоиды (Вальбека, Кларка, Бесселя), различные начала и различные системы координат, что привело к недопустимым невязкам при соединении различных триангуляций, несмыканию рамок планшетов на границах съемок.

В 1871 г. Военно-топографический отдел Корпуса военных топографов стал систематически выполнять геометрическое нивелирование. К 1894 г. нивелирная сеть достигла 13000 км, было выполнено первое её уравнивание и составлен каталог,  содержащий 1092 пункта. Но и в этом случае не существовало единой исходной поверхности для определения высот точек в разных районах страны, не было единого подхода к выполнению работ.

Кроме Корпуса военных топографов до революции 1917 г. работы по триангуляции и топографическим съемкам выполняли Межевое ведомство, Гидрографическое управление, Горное ведомство, Ведомство путей сообщения, Переселенческое  управление и др. Все они вместе с Корпусом военных топографов  выполнили топографические съемки менее чем на 20% территории России. После Октябрьской социалистической революции значительно увеличился объем геодезических работ. 15 марта 1919 г, был издан Декрет об организации Высшего геодезического управления (ВГУ) - (позже Главное управление геодезии и картографии (ГУГК) при СМ СССР и в настоящее время Федеральная служба геодезии и картографии России), перед которым  ставилась задача выполнения геодезических и топографических работ с целью изучения территории страны, поднятия и развития ее производительных сил. Кроме ВГУ продолжало геодезические и топографические работы военно-топографическое управление (ВТУ).

Работы стали выполняться по единым техническим  инструкциям и наставлениям. К 1930 г. на европейской части СССР создано восемь полигонов триангуляции I класса периметром 800- 1000 км, уравнивание которых выполнено по способу Красовского на эллипсоиде Бесселя с исходным пунктом в Пулкове. К 1939 г. было создано 70 полигонов протяженностью в 46000 км. Новое уравнивание астрономо-геодезической сети  выполнено в 1942 г. Сделан переход на эллипсоид Красовского. После Великой Отечественной войны происходит бурное развитие геодезических работ в связи с восстановлением  народного хозяйства и освоением малообжитых районов страны. К 1960 г. завершено создание карты масштаба 1:100000 на всю территорию страны, а к 1970 г. в основном закончено создание на территорию СССР астрономо-геодезической сети I класса. В 1980-х годах завершена съемка в масштабе 1:25000. К 1977 г.выполнена и уравнена нивелирная сеть I и II классов из 500 гонов периметром от 500 в центральной части страны до 6000 км на северо-востоке в каждом полигоне.

В настоящее время широкое применение в геодезии находят спутниковые технологии, позволяющие с высокой точностью определять координаты пунктов. На высоте около 200О0 км функционирует сеть искусственных спутников Земли (не менее 18, обычно 24 - 30), орбиты которых рассчитаны так, чтобы в каждой точке поверхности Земли н Мирового океана в любое время суток независимо от погоды можно было наблюдать не менее четырех спутников. В настоящее время выполняется  совместное использование систем ГЛОНАСС (Глобальная навигационная Спутниковая Система, Россия) и NAVSTAR (NAVigation Satlelitc providing Time And Range, — навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и  местоположения, США). В дифференциальном варианте точность определения координат относительно опорного пункта с известными координатами достигает несколько миллиметров.

В связи со строительством атомных электростанций, ускорителей заряженных частиц, космодромов и других уникальных сооружений точность инженерно-геодезических работ возросла до 0,1 - 0,2 мм. Для получения этой точности используются  новейшие достижения в электронике, лазерной технике,  математике, вычислительной технике и т.п.