Жердің пішіні, бағыты және гравитациясын өлшеу ғылымы

Кіріспе

Жер және басқа да астрономиялық денелердің пішінін, кеңістіктегі орналасуын және гравитациясын өлшеу ғылымы.

Геодезия – Жердің геометриясын, гравитациясын және уақыт өзгеретін 3D кеңістіктегі кеңістіктік бағытын өлшеу және бейнелеу ғылымы. Планеталар немесе планеталық жүйелер сияқты басқа астрономиялық денелерді зерттегенде бұл планеталық геодезия деп аталады. Жер қыртысының қозғалысы, толқындар және полярлық қозғалыс сияқты геодинамикалық құбылыстарды ғаламдық және ұлттық бақылау желілерін жобалау, ғарыш геодезиясы және жер бетіндегі геодезиялық әдістерді қолдану, сондай-ақ даталар мен координаттар жүйелеріне сүйену арқылы зерттеуге болады. Кәсіби лауазымдары – геодезист және геодезиялық шебер.

Тарих

Геодезия ғылыми дәуірге дейінгі ежелгі заманда басталды, сондықтан "геодезия" сөзі ежелгі грек тіліндегі γεωδαισία немесе geodaisia (сөзбе-сөз "Жерді бөлу") деген сөзден шыққан. Жердің пішіні туралы алғашқы түсініктерде Жер жалпақ, ал аспан оның үстін жабатын физикалық күмбез деп есептелген. Жердің шар тәрізді екенін дәлелдейтін екі ерте аргумент: ай тұтылуы бақылаушыға дөңгелек көлеңке түрінде көрінеді және саяхатшы оңтүстікке қарай жылғанда Поляр жұлдызы аспанда көбірек төмендейді.

Анықтама

Ағылшын тілінде геодезия — геокеңістіктік ақпаратты өлшеу және бейнелеу ғылымы, ал геоматика — геодезияның жергілікті және аймақтық деңгейдегі, соның ішінде жерді зерттеуді қамтитын практикалық қолданылуы. Немец тілінде геодезия Жерді әлемдік масштабта өлшеумен айналысатын жоғары геодезияны (höhere Geodäsie немесе Erdmessung, сөзбе-сөз "жер өлшемі") немесе Жердің бөліктері мен аймақтарын өлшеуді қамтитын инженерлік геодезияны (Ingenieurgeodäsie) білдіре алады. Геодезия көп уақыт бойы Жердің геометриялық пішінін, ғарыштағы бағытын және гравитациялық өрісін өлшеу және түсіну ғылымы болды; алайда, геодезиялық ғылым мен операциялар Күн жүйесіндегі басқа да астрономиялық денелерге де қолданылады. Геоид толқыны тұжырымы арқылы осы биіктіктерді эллипсоидтық биіктіктермен (геодезиялық биіктіктер деп те аталады) байланыстыруға болады, ол нүктенің анықтамалық эллипсоиден жоғары биіктігін көрсетеді. Жерсеріктік позициялық қабылдағыштар, егер олар геоид моделіне негізделген арнайы түрлендіру бағдарламалық жасақтамасымен жабдықталмаса, әдетте эллипсоидтық биіктіктерді ұсынады.

Геодезиялық деректер

Геодезиялық нүктелердің координаталары мен биіктіктері әрқашан өзі нақты әлемдегі байқауларға негізделген жүйеде алынатындықтан, геодезистер "геодезиялық дерек" (көпше түрі – деректер) деген ұғымды енгізді: нүктелердің орналасуын сипаттау үшін қолданылатын координаталар жүйесінің физикалық (нақты әлем) іске асырылуы. Бұл іске асыру бір немесе бірнеше дерек нүктелері үшін (сондықтан, конвенциялық) координаттық мәндерді таңдау арқылы жүзеге асырылады. Биіктік деректері үшін бір дерек нүктесін таңдау жеткілікті – әдетте, жағалаудағы су деңгейін өлшейтін тікбастау. Осылайша, NAVD 88 (Солтүстік Америкалық вертикальдік дерегі 1988), NAP (Normaal Amsterdams Peil), Кронштадт дерегі, Триест дерегі және тағы да көптеген вертикальдік деректер бар. Математика мен геодезияда координаталар жүйесі ISO терминологиясына сәйкес "координаталар жүйесі" болып табылады, ал Халықаралық Жердің айналуы және анықтама жүйелері қызметі (IERS) осыған "анықтама жүйесі" терминін қолданады. Координаттар дерек нүктелерін таңдау және геодезиялық деректерді бекіту арқылы іске асырылғанда, ISO "координаталық анықтама жүйесі" дейді, ал IERS осы үшін "анықтамалық қаңқа" қолданады. Дерек түрлендіруі үшін ISO термині "координаталық түрлендіру" болып табылады.

Орналасуы

Геопозициялау, немесе жай ғана позициялау – бұл геодезиялық координаттар жиынтығымен анықталатын, жер бетіндегі, теңіздегі немесе ғарыштағы нүктенің координаттар жүйесіндегі орналасуын (нүктелік позициялау) немесе басқа нүктеге қатысты (салыстырмалы позициялау) анықтау. Бір нүктенің ғарыштағы орны белгілі орналасқан жер бетіндегі немесе ғарыштағы нүктелерді ("белгілі нүктелер") белгісіз орналасқан жер бетіндегі нүктелермен ("белгісіз нүктелер") байланыстыратын өлшемдер арқылы есептеледі. Есептеулер астрономиялық және жер бетіндегі координаттар жүйелері арасындағы түрлендірулерді қамтуы мүмкін. Нүктелік позициялауда қолданылатын белгілі нүктелер GNSS спутниктері немесе жоғары дәрежелі желілердің триангуляциялық нүктелері болуы мүмкін. Дәстүрлі түрде геодезистер ел ішінде нүктені позициялауға мүмкіндік беретін желілердің иерархиясын құрады. Бұл иерархиядағы ең жоғары деңгейде триангуляциялық желілер тұрды, олар жерді карталау және геодезиялық өлшемдерге негізделген траверстер (көпбұрыштар) желісіне денсификацияланды, әдетте өлшеу лентасы, бұрыштық призма және қызыл және ақ бағаналар қолданылып жиналатын. Қазіргі кезде GPS кеңінен қолданылады, арнайы өлшемдерден (мысалы, жер астындағы немесе жоғары дәлдікті инженерлік жұмыстарда) басқа. Жоғары дәрежелі желілер статикалық GPS арқылы өлшенеді, жер бетіндегі нүктелер арасындағы векторларды анықтау үшін дифференциалдық өлшемдер қолданылады. Бұл векторлар дәстүрлі желілік әдіспен түзетіледі. IERS басшылығымен тұрақты түрде жұмыс істейтін GPS станцияларының жаһандық полиэдрі ұлттық өлшемдерге байланыстырылған "нөлдік дәрежелі" (жаһандық) эталондық жүйені анықтау үшін негіз болып табылады. Геодезиялық карталауда жиі кинематикалық позициялау (RTK GPS) қолданылады. Бұл өлшеу әдісінде белгісіз нүктелерді жақын жердегі белгілі нүктелерге жылдам байланыстыруға болады. Нүктені позициялаудың мақсатының бірі – карталық өлшемдер үшін белгілі нүктелерді қамтамасыз ету, сондай-ақ (көлденең және тік) бақылау. Бір елде мыңдаған геодезиялық тұрғыдан анықталған нүктелер болуы мүмкін, олар әдетте ұлттық картаграфиялық агенттіктермен құжатталады. Жылжымайтын мүлік және сақтандыру саласындағы геодезистер оларды жергілікті өлшемдерді байланыстыру үшін пайдаланады.

Geopositioning, or simply positioning, is the determination of the location, as defined by a set of geodetic coordinates, of a point on land, at sea, or in space within a coordinate system (point positioning) or relative to another point (relative positioning). One computes the position of a point in space from measurements linking terrestrial or extraterrestrial points of known location ("known points") with terrestrial ones of unknown location ("unknown points"). The computation may involve transformations between or among astronomical and terrestrial coordinate systems. Known points used in point positioning can be GNSS satellites or triangulation points of a higher order network. Traditionally, geodesists built a hierarchy of networks to allow point positioning within a country. The highest in this hierarchy were triangulation networks, densified into the networks of traverses (polygons) into which local mapping and surveying measurements, usually collected using a measuring tape, a corner prism, and the red and white poles, are tied. Commonly used nowadays is GPS, except for specialized measurements (e. g., in underground or high precision engineering). The higher order networks are measured with static GPS, using differential measurement to determine vectors between terrestrial points. These vectors then get adjusted in a traditional network fashion. A global polyhedron of permanently operating GPS stations under the auspices of the IERS is the basis for defining a single global, geocentric reference frame that serves as the "zero order" (global) reference to which national measurements are attached. Real time kinematic positioning (RTK GPS) is employed frequently in survey mapping. In that measurement technique, unknown points can get quickly tied into nearby terrestrial known points. One purpose of point positioning is the provision of known points for mapping measurements, also known as (horizontal and vertical) control. There can be thousands of those geodetically determined points in a country, usually documented by national mapping agencies. Surveyors involved in real estate and insurance will use these to tie their local measurements.

Өлшемдер

Биіктік айырмашылықтарын және биіктік анықтама жүйелерін анықтау үшін қолданылатын эталондық бет (деңгей) орташа теңіз деңгейі деп аталады. Дәстүрлі спирттік деңгей теңіз деңгейінен биіктікті тікелей анықтайды (практикалық мақсаттар үшін ең тиімді). Биіктікті анықтау үшін GPS құралдарын қолдану экономикалық тұрғыдан тиімдірек, бірақ геоид пішінін дәл білуді қажет етеді, себебі GPS тек GRS80 эталондық эллипсоидына қатысты биіктікті береді. Геоидты анықтаудың жақсаруымен, биіктікті анықтауда GPS қолданысының артуын күтуге болады. Теодолит – нысаналық нүктелерге қатысты көлденең және тік (жергілікті вертикальға қатысты) бұрыштарды өлшеуге арналған құрал. Тахиметр нысанаға дейінгі қашықтықты электрондық немесе электрооптикалық түрде анықтайды және жоғары деңгейде автоматтандырылған, тіпті роботтандырылған режимде жұмыс істей алады. Осы мақсатқа кеңінен қолданылатын әдіс – еркін станцияның орналасуы. Жергілікті егжей-тегжейлі топографиялық түсірілімдерде көбінесе тахиметрлер қолданылады, бірақ бұрышты призма мен болат рулетканы пайдаланатын ескі әдіс те әлі де қолжетімді балама болып табылады. Бұрын айтқандай, жылдам және салыстырмалы түрде дәл нақты уақыт кинематикалық (RTK) GPS техникалары да бар. Жиналған деректер географиялық ақпараттық жүйеге (ГИС) енгізу үшін таңбаланып, цифрлық түрде сақталады. Геодезиялық ГНСС (көбінесе GPS) қабылдағыштары геоцентрлік координаттар жүйесінде тікелей 3D координаттарды шығарады. Мұндай жүйелердің бірі – WGS84, сондай-ақ Халықаралық Жердің айналу және анықтама жүйелері қызметінің (IERS) жүйелері. ГНСС қабылдағыштары ірі масштабты базалық желілерді зерттеу үшін жердегі құралдарды толығымен алмастырды. Жердің айналуындағы бұзылыстарды және тектоникалық плиталардың қозғалысын бақылау үшін, сондай-ақ бүкіл планета бойынша геодезиялық зерттеулер жүргізу үшін квазарларға дейінгі қашықтықты өлшейтін өте ұзақ базалық интерферометрия (VLBI), Айға орналасқан призмаларға дейінгі қашықтықты өлшейтін айлық лазерлік қашықтық өлшеу (LLR) және жасанды спутниктердегі призмаларға дейінгі қашықтықты өлшейтін спутниктік лазерлік қашықтық өлшеу (SLR) әдістері қолданылады. Ауырлық гравиметрлермен өлшенеді, олардың екі түрі бар. Біріншісі – абсолютті гравиметрлер, олар еркін түсу үдеуін өлшеуге негізделген (мысалы, вакуумдық түтік ішіндегі шағылыстыратын призма). Олар геодезиялық тік бағытты орнату үшін немесе далалық жұмыстарда қолданылады. Екіншісі – серіппелі салыстырмалы гравиметрлер, олар көбірек таралған. Олар үлкен аумақтардағы ауырлықты зерттеу үшін қолданылады, геоид пішінін анықтау үшін. Ең дәл салыстырмалы гравиметрлер – «суперөткізгіш» гравиметрлер деп аталады, олар Жер бетіндегі ауырлықтың миллиардтан бір бөлігіне дейін сезімтал. Шамамен жиырма суперөткізгіш гравиметрлер Жердің су тасқындарын, айналуын, ішкі құрылымын, мұхиттық және атмосфералық жүктемелерді зерттеуде, сондай-ақ гравитация тұрақтылығын тексеруде қолданылады. Болашақта ауырлық пен биіктікті оптикалық сағаттармен өлшенетін уақыттың өзгеруінің арнайы салыстырмалық теориялық концепциясын қолдану арқылы өлшеуге болады.

The reference surface (level) used to determine height differences and height reference systems is known as mean sea level. The traditional spirit level directly produces such (for practical purposes most useful) heights above sea level; the more economical use of GPS instruments for height determination requires precise knowledge of the figure of the geoid, as GPS only gives heights above the GRS80 reference ellipsoid. As geoid determination improves, one may expect that the use of GPS in height determination shall increase, too. The theodolite is an instrument used to measure horizontal and vertical (relative to the local vertical) angles to target points. In addition, the tachymeter determines, electronically or electro optically, the distance to a target and is highly automated or even robotic in operations. Widely used for the same purpose is the method of free station position. Commonly for local detail surveys, tachymeters are employed, although the old fashioned rectangular technique using an angle prism and steel tape is still an inexpensive alternative. As mentioned, also there are quick and relatively accurate real time kinematic (RTK) GPS techniques. Data collected are tagged and recorded digitally for entry into Geographic Information System (GIS) databases. Geodetic GNSS (most commonly GPS) receivers directly produce 3D coordinates in a geocentric coordinate frame. One such frame is WGS84, as well as frames by the International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS). GNSS receivers have almost completely replaced terrestrial instruments for large scale base network surveys. To monitor the Earth's rotation irregularities and plate tectonic motions and for planet wide geodetic surveys, methods of very long baseline interferometry (VLBI) measuring distances to quasars, lunar laser ranging (LLR) measuring distances to prisms on the Moon, and satellite laser ranging (SLR) measuring distances to prisms on artificial satellites, are employed. Gravity is measured using gravimeters, of which there are two kinds. First are absolute gravimeters, based on measuring the acceleration of free fall (e. g., of a reflecting prism in a vacuum tube). They are used to establish vertical geospatial control or in the field. Second, relative gravimeters are spring based and more common. They are used in gravity surveys over large areas — to establish the figure of the geoid over these areas. The most accurate relative gravimeters are called superconducting" gravimeters, which are sensitive to one thousandth of one billionth of Earth surface gravity. Twenty some superconducting gravimeters are used worldwide in studying Earth's tides, rotation, interior, oceanic and atmospheric loading, as well as in verifying the Newtonian constant of gravitation. In the future, gravity and altitude might become measurable using the special relativistic concept of time dilation as gauged by optical clocks.

Эллипсоидтағы өлшем бірліктері

Географиялық ендік және бойлық градус, доға минуты және доға секунды бірліктерімен беріледі. Олар бұрыштар, метрикалық шама емес, және айналма эллипсоидінің жергілікті нормасының бағытын сипаттайды. Бұл бағыт шамамен, гравитацияның жергілікті бағытымен – яғни геоид бетіне нормальмен – бірдей. Осы себепті, астрономиялық позицияны анықтау – астрономиялық тәсілдермен гравитация бағытын өлшеу – Жердің пішінінің эллипсоидты моделін қолданғанда жақсы нәтиже береді. Географиялық бір миль, экватордағы бір доға минуты ретінде анықталады, ол 1855,32571922 метрге тең. Бір теңіз милі – астрономиялық ендіктің бір минуты. Эллипсоидтың қисықтық радиусы ендікке байланысты өзгереді, полюсте ең ұзын, ал экваторда ең қысқа болады, теңіз милі сияқты. Метр бастапқыда Париж меридианы арқылы экватордан Солтүстік полюске дейінгі қашықтықтың он миллиондық бөлігі ретінде анықталған (бірақ нақты іске асыруда мақсатқа толық жетілмеді, өйткені қазіргі анықтамалар бойынша 200 ppm-ға қателік бар). Осыған байланысты, бір километр шамамен (1/40 000) * 360 * 60 меридиандық доға минутына тең, немесе 0,54 теңіз милі. (Бұл екі бірлік әртүрлі негізде анықталғандықтан, дәл осылай емес, сондықтан халықаралық теңіз милі дәл 1852 метрді құрайды, бұл 1000/0,54 метрді төрт таңбаға дейін дөңгелектеу нәтижесі).