Высшее профессиональное образование

БакалаВриат

Г.Д.Курошев

топография

Учебник

для студентов учреждений

высшего профессионального образования,

обучающихся по направлениям «География» и «Гидрометеорология»

УДК 528.7(075.8)

ББК 26.12я73

К935

Р е ц е н з е н т ы:

засл. деятель науки РФ, д-р геогр. наук, проф. Б.Б.Серапинас

(кафедра картографии и геоинформатики МГУ им. М. В. Ломоносова); д-р техн. наук, проф. Г.В.Макаров (Гос. морская академия им. адм. С. О. Макарова, кафедра геодезии) Курошев Г. Д.

К935 Топография : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Г. Д. Курошев. — М. : Издательский центр «Академия», 2011. — 192 с. — (Сер. Бакалавриат).

ISBN 978-5-7695-8157- Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлениям подготовки «География» и «Гидрометеорология» (квалификация «бакалавр»).

В учебнике описаны основные этапы истории развития геодезических измерений и топографических съемок. Приведены общие сведения о погрешностях измерений, правила и методы измерения углов и расстояний, решения задач по определению плановых координат и высот пунктов местности. Дано описание наиболее распространенных приборов, применяемых для проведения полевых и камеральных работ. Рассмотрены способы и технологии полевых наземных и аэротопографических съемок, содержание топографических карт. Учебник подготовлен на основе учебника Г. Д. Курошева и Л. Е. Смирнова «Геодезия и топография» (3-е изд. — 2009 г.).

Для студентов учреждений высшего профессионального образования.

УДК 528.7(075.8) ББК 26.12я Оригинал-макетданногоизданияявляетсясобственностью Издательскогоцентра«Академия»,иеговоспроизведениелюбым способомбезсогласияправообладателязапрещается © Курошев Г. Д., © Образовательно-издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-8157-1 © Оформление. «Издательский центр «Академия», Предисловие Учебник представляет собой систематизированный курс лекций для студентов, изучающих способы полевых измерений и съемок.

В нем кратко изложены начала геодезии и топографии, знание которых необходимо для выработки первичных навыков и умений в обращении с приборами и инструментами, в производстве необходимых вычислений и графических построений.

Содержание и структура учебника соответствуют программе курса «Топография» для студентов географических, геологических и почвенной специальностей дневного, вечернего и заочного обучения.

При составлении учебника учитывались требования к профессиональной подготовке специалистов в области естественных наук, ведущих сбор материалов и исследование в полевых экспедиционных условиях. Вместе с тем курс «Топография» должен не только передавать студентам определенную сумму знаний, позволяющих самостоятельно проводить необходимые геодезические измерения и съемки местности, но также давать представление о Земле, как небесном теле, имеющем определенные размеры, форму и ряд других свойств.

Необходимые сведения о геодезии излагаются в части I учебника, так как ее теоретическое обоснование и методы измерений всегда предшествуют топографическим съемкам.

Автор стремилcя, сохраняя точность и строгость при использовании понятий и терминов, изложить суть предмета изучения в удобной и доступной для восприятия студентами 1-го курса форме.

Полный курс «Топография» разделен на три части: лекционную (теоретическую), зимнюю лабораторную практику и летнюю учебную полевую практику. Данный учебник предназначен для подкрепления лекционного курса и не заменяет руководств и методических пособий по практике.

Автор выражает благодарность доктору географических наук, профессору Б. Б. Серапинасу и доктору технических наук, профессору Г. В. Макарову, а также доценту кафедры картографии и геоинформатики СПбГУ А. А. Симинееву за ценные замечания и предложения, позволившие улучшить содержание учебника.

введение Геодезия (от греч. geodaisia — землеразделение) — одна из наук о Земле. В настоящее время содержание геодезии понимается значительно шире, и геодезия характеризуется как наука о методах определения пространственных характеристик предметов и явлений. Таким образом, объектом изучения геодезии является пространство в его предметном выражении, т. е. пространство, которое окружает людей, и прежде всего — это географическая оболочка Земли.

Современная геодезия выступает как самостоятельная наука, включающая практику и методы исследования. Специалисты подразделяют геодезию на высшую (собственно геодезию) и прикладную (инженерную геодезию).

Научные задачи геодезии заключаются, во-первых, в изучении фигуры и размеров Земли, ее внешнего гравитационного поля, а также их изменений во времени и, во-вторых, в разработке способов, приемов и средств геодезических измерений на земной поверхности.

Практические задачи геодезии (геодезического производства) состоят в создании сети геодезических пунктов, т. е. закрепленных на местности точек, плановые координаты и высоты которых определены геодезическими измерениями. Их создание и развитие предшествуют топографическим съемкам и картографированию территории, и необходимы для решения различных научно-исследовательских и инженерно-технических задач. Кроме того, геодезия связана с навигацией, где решается задача определения положения, курса и скорости движения судов, самолетов.

Задачи геодезического метода состоят в «обслуживании» других наук о Земле: географии, геологии, геофизики и т. д. Эти задачи включают определение пространственного положения отдельных объектов, их перемещения, а также развития природных процессов, например движения ледников, течения рек, уровня вод, роста оврагов, вертикального и горизонтального перемещения земной коры и т. п.

История геодезии уходит корнями в глубь веков. Геодезия возникла из практических потребностей людей еще до нашей эры на Востоке, где требовалось, как, например, в Египте, определять границы земельных участков после каждого разлива Нила.

Первоначально геодезия была лишь частью зарождавшейся геометрии. Затем прикладные методы геометрии оформились как особые задачи, решением которых и занялась геодезия.

В IV в. до н. э. геодезия выделилась в самостоятельную науку, современное название которой предложил Аристотель. В дальнейшем геодезия приобрела тесные связи с математикой, астрономией, а также географией и картографией.

На рубеже XVII—XVIII вв. И. Ньютоном была высказана идея об эллипсоидальности Земли. С этого времени основным предметом геодезии стало определение размеров земного эллипсоида и его сжатия.

В этот период зародились начала гравиметрии. Возникло понятие об особой форме Земли — геоиде. Выяснилось, что фигура Земли связана с ее внутренним строением, тем самым круг интересов геодезии сомкнулся с проблемами науки, названной геофизикой.

С середины XIX в. геодезия стала изучать форму Земли более детально. Ее интересовали отступления геоида от первоначально принятой геометрической фигуры. Эта задача решалась астрономогеодезическими и гравиметрическими методами. Так возникла геодезическая гравиметрия.

Современный период в развитии геодезии связан с запуском искусственных спутников Земли. Появилась космическая геодезия, а затем «селенодезия» и другие геодезии планет. Геодезия усилила свои связи с геофизикой и занялась изучением динамики земной коры, а также изменений во времени формы, размеров и гравитационного поля Земли. Данные геодезии стали использовать для решения проблем геологии и планетологии.

Историю геодезии в нашей стране обычно изучают с эпохи Древней Руси и становления Московского государства. Но интенсивно геодезия начала развиваться во времена Петра I, когда были организованы первые астрономо-геодезические экспедиции и сделаны крупные географические открытия. В XIX в. астрономы и геодезисты активно работали над развитием геодезической сети по территории России, главным образом ее европейской части.

В XX в. наша страна была покрыта сплошной сетью геодезических пунктов, достаточной для того, чтобы обеспечить топографической съемкой всю территорию государства. В конце XX—начале XXI вв.

получили развитие новые спутниковые способы создания геодезических сетей.

Топография — раздел картографии, тесно примыкающий к геодезии, методами которой создается обоснование съемок. В топографии карты и планы достаточно крупных масштабов составляют на основании натурных съемок местности.

Термин «топография» впервые был введен знаменитым греческим географом и астрономом Птолемеем примерно во II в. н. э. Слово «топография» образовано из двух греческих слов «топос» — местность и «графо» — пишу.

Зарисовкой окружающей местности в виде примитивных планов люди стали заниматься в незапамятные времена. Более или менее точные топографические съемки начались с изобретения нивелира и почти через 100 лет — теодолита. Однако следует отметить, что первые очень простые приборы для съемок появились еще до нашей эры. Например, нивелир упоминается в трудах древнегреческого ученого-механика Герона Александрийского (I в. н. э.) и римского архитектора Марка Витрувия (I в. до н. э.).

Однако в XVI в. они претерпели принципиальные изменения и стали включать в себя все те элементы, которые сохранились и до сих пор: оптические трубы, уровни, отсчетные приспособления, сетки нитей. С этого времени топографические планы и карты приобрели необходимую точность и достоверность.

В последующие столетия топография прошла длинный путь систематического совершенствования. В XIX в. топографические съемки достигли высокого исполнительского мастерства. Топографические карты России, созданные в XIX в., отличаются высокой достоверностью и надежностью передачи содержания, особенно рельефа.

В начале XX в. при топографических съемках стали использовать сначала наземные, а затем аэрофотографические снимки. Была разработана и внедрена в производство аэрофототопографическая технология создания карт, которая является основной в топографогеодезическом производстве, но и она все чаще использует для создания топографических карт материалы космических и лазерных съемок.

В России систематические топографические съемки начались при Петре I, но велись медленно, и к началу XX в. топографические карты были составлены лишь для европейской части государства и очень малой части Сибири.

Громадная работа по съемкам начала производиться топографогеодезической службой страны с 30-х годов ХХ в. К 50-м годам были составлены топографические карты всей страны масштаба 1 : 100 000, а к настоящему времени и карты масштабов 1 : 25 000 и частично 1 : 10 000.

Геодезическое обесПечение тоПоГрафических съемок размеры и форма земли 1.1. Эволюция представлений о форме и размерах земли Представления о мироздании, форме, размерах и положении Земли в космосе, существовавшие в разные времена, были весьма различными, порой просто фантастичными, как, например, в Средние века. Однако мысль о шарообразности Земли высказывалась не один раз многими учеными.

Впервые идея о шарообразности Земли была выдвинута, вероятно, халдейскими жрецами в VI в. до н. э. С таким же утверждением выступал грек Филолай (V в. до н. э.). Ту же мысль высказывал Аристотель в IV в. до н. э. В качестве доказательства они ссылались на то обстоятельство, что шар — это самая «совершенная» из геометрических форм. Наблюдения за уходящими за горизонт кораблями также наталкивали на мысль о том, что Земля круглая.

Попытки измерить Землю, вероятно, делались в древние времена не один раз. Однако первое исторически достоверное измерение Земли осуществил древнегреческий ученый Эратосфен (III в. до н. э.). Он заметил, что в двух египетских городах, расположенных на Ниле, в одно и то же время Солнце стоит в Сиене (нынешнем Асуане) почти в зените, тогда как в Александрии светит под углом.

Зная расстояние S между городами (на рис. 1.1 дуга сферы АС) и измерив с помощью гномона, закрепленного в полусферической чаше, угол z (зенитное расстояние), Эратосфен вычислил радиус Земли R:

R = (180° S)/(µ), z = µ.

Поскольку расстояние между городами в то время измерялось в стадиях, мы не можем сейчас сказать, насколько точен был результат измерений Эратосфена. Стадией греки называли расстояние, которое проходил человек спокойным шагом от момента появления края Солнца над горизонтом до момента появления всего его диска, что составляет примерно 158 — 185 м. Современные расчеты, выполненные при этих приблизительных значениях, дали результат R = 6 311 — 6 320 км, который следует признать вполне удовлетвориРис. 1.1. Определение радиуса Земли Эратосфеном тельным, поскольку в настоящее время радиус Земли принимается равным 6 371 км.

В Средние века в развитии всей науки, в том числе и геодезии, наступил застой. Церковь и инквизиция передовое представление о мироздании объявили ересью. Интерес к геодезии вновь возник в эпоху Возрождения. Известные кругосветные путешествия в период Великих географических открытий подтвердили опытным путем, что Земля — шар.

И. Ньютон в опубликованном в 1687 г. трактате «Математические начала натуральной философии» утверждал, что из-за вращения вокруг своей оси Земля должна быть сплюснутой у полюсов и представлять собой сфероид или эллипсоид вращения, т. е. фигуру, которая получается, если вращать эллипс вокруг малой оси. Эта идея требовала подтверждения. Для этого Парижская академия наук организовала две экспедиции: одну в Перу поближе к экватору, другую в Лапландию — на север Финляндии. Экспедиции должны были произвести измерения длин дуг меридианов, один градус которых, предложил метод триангуляции, заключающийся в том, что расстояние между точками А и В определялось косвенно из вычисления рядов треугольников, в которых измерялись углы, а на концах Первоначально проделанные по триангуляционным измерениям расчеты показали вместо после обнаружения ошибки результат определений Рис. 1.2. Триангу- и другие страны. В России они впервые были осуществлены в первой половине XIX в. и охватывали ляция территорию от Северного Ледовитого океана до Дуная. Работа выполнялась под руководством астрономов и геодезистов К. И. Теннера и В. Я. Струве. Результатом было вычисление параметров эллипсоида для территории России — эллипсоида Струве. В 1743 г., по возвращении экспедиции из Лапландии, французский ученый А.Клеро открыл зависимость периода колебания маятника от конкретной территории, т. е. связь ускорения свободного падения с широтой места и, следовательно, сжатием Земли.

Так возник гравиметрический метод изучения формы Земли, который практически стал использоваться значительно позднее.

П. С. Лаплас предложил свой вариант: определять форму Земли по колебаниям орбиты Луны. Эта идея была осуществлена лишь после запуска геодезических спутников Земли и по наблюдениям искусственных спутников Земли (ИСЗ) по трассе полета.

1.2. современные воззрения на форму земли Физическая или топографическая поверхность Земли образует физическую или действительную форму Земли с ее неровностями, рельефом, которые изображаются на картах. Но для геодезических построений они создают неудобство, поскольку такая поверхность сложно описывается математически, не аппроксимируется простыми геометрическими формами.

В 1873 г. физик И. Б. Листинг предложил использовать для описания формы Земли понятие «геоид» (от греч. «гео» — земля и «ейдос» — вид). Таким образом получилось, что форма Земли «землеподобна». Несмотря на странность такого термина, он подчеркивает индивидуальность Земли и поэтому, вероятно, распространился среди геодезистов.

Под геоидом понимается уровенная поверхность морей и океанов (без приливов-отливов, сгонов и нагонов), продолженная под материками. Во всех точках уровенной поверхности геоида отвесная линия перпендикулярна касательной к данной точке. Геоид — всюду выпуклая поверхность. Очевидно, что форма геоида связана с распределением масс в теле Земли, вращением ее вокруг оси, взаимодействием сил тяжести и центробежных сил. Поэтому фигура геоида оказалась достаточно сложной и, как позднее установили, принципиально неопределимой. В связи с этим выдающийся отечественный ученый М. С. Молоденский предложил перейти к поверхности «квазигеоида»

(якобы «геоида»), которая однозначно определяется по наземным измерениям и совпадает с геоидом на морях и океанах и очень близко подходит к нему на суше.

Для научного и практического использования выбрана простая математическая аппроксимация фигуры Земли — земной эллипсоид, или эллипсоид вращения, размеры которого подбираются при условии наилучшего соответствия фигуре квазигеоида для Земли в целом или отдельных ее частей. Эллипсоид, подходящий для всей Земли, называют «общеземным эллипсоидом», а для территории отдельной страны или нескольких стран — «референц-эллипсоидом».

В 1940 г. отечественные ученые Ф. Н. Красовский и А. А. Изотов завершили вычисление размеров референц-эллипсоида (отсчетного эллипсоида) для геодезических построений и картографирования территории бывшего СССР. В 1946 г. он был введен для всеобщего использования.

Параметры эллипсоида Красовского таковы: большая полуось (радиус экватора) а = 6 378 245 м, полярное сжатие = 1 : 298,3 (в геодезии для определения эллипсоида как фигуры чаще всего используют параметры а и ; = (a b)/a, где b — малая полуось эллипсоида).

Соответствующие параметры общеземного эллипсоида — 6 378 137 м и 1 : 298,257 223 563. Как видно, Земля очень мало отличается от шара радиусом 6 371,032 км.

Таким образом, форма Земли как планеты может быть представлена двояко: во-первых, точной метрикой (каталоговой, осуществляемой с помощью геодезических сетей) и, во-вторых, картографически.

Обе модели сформировались в середине XX в. и продолжают развиваться и совершенствоваться. В последние годы форму и размеры Земли уточняют посредством данных, получаемых из наблюдений ИСЗ. При этом выявлен целый ряд особенностей в конфигурации поверхности планеты.