Геодезия: Наука об измерении формы и гравитации Земли и других небесных тел.

Введение

Наука об измерении формы, ориентации и гравитационного поля Земли и других астрономических тел.

Геодезия – это наука об измерении и представлении геометрии, гравитации и пространственной ориентации Земли в трех измерениях, изменяющихся во времени. При изучении других астрономических тел, таких как планеты или системы вокруг планет, она называется планетарной геодезией. Геодинамические явления, включая движение земной коры, приливы и полярное смещение, изучаются посредством создания глобальных и национальных геодезических сетей, применения космической и наземной геодезии, а также использования опорных дат и систем координат. Профессии в этой области – геодезист и геодезист-топографист.

История

Геодезия зародилась в донаучную эпоху древности, поэтому само слово «геодезия» происходит от древнегреческого слова γεωδαισία или geodaisia (дословно, «разделение Земли»). Первоначальные представления о форме Земли считали её плоской, а небо – физическим куполом, накрывающим её. Два ранних аргумента в пользу шарообразности Земли заключались в том, что лунные затмения наблюдателю кажутся круглыми тенями, и в том, что Полярная звезда кажется всё ниже и ниже в небе для путешественника, направляющегося на юг.

Определение

На английском языке геодезия – это наука об измерении и представлении геопространственной информации, а геоматика охватывает практическое применение геодезии в локальных и региональных масштабах, включая съемочные работы. В немецком языке термин «геодезия» может относиться как к высшей геодезии (höhere Geodäsie или Erdmessung, буквально «геометрические измерения»), которая занимается измерением Земли в глобальном масштабе, так и к инженерной геодезии (Ingenieurgeodäsie), включающей в себя съемочные работы и измерения частей или регионов Земли. Долгое время геодезия определялась как наука об измерении и понимании геометрической формы Земли, её ориентации в пространстве и гравитационного поля; однако геодезические науки и работы применяются также и к другим астрономическим телам в нашей Солнечной системе. Связь между различными высотами осуществляется через концепцию неровностей геоида и эллипсоидальные высоты (также известные как геодезические высоты), представляющие собой высоту точки над опорным эллипсоидом. Приемники спутникового позиционирования обычно выдают эллипсоидальные высоты, если не оснащены специальным программным обеспечением для преобразования, основанным на модели геоида.

Геодезические даты

Поскольку координаты и высоты геодезических пунктов всегда определяются в системе, которая сама была построена на основе наблюдений в реальном мире, геодезисты ввели понятие "геодезического датюма" (множественное число – датюмы): физическая (реальная) реализация системы координат, используемая для описания местоположения пунктов. Эта реализация вытекает из выбора (следовательно, условных) значений координат для одного или нескольких пунктов-основ. В случае высотных данных достаточно выбрать один пункт-основ – реперную отметку, как правило, приливный пост на берегу. Таким образом, существуют вертикальные датюмы, такие как NAVD 88 (Североамериканский вертикальный дат 1988), NAP (Normaal Amsterdams Peil), Кронштадтский дат, Триестский дат и многие другие. Как в математике, так и в геодезии, система координат называется "системой координат" в соответствии с терминологией ISO, в то время как Международная служба вращения Земли и опорных систем (IERS) использует термин "опорная система" для обозначения того же. Когда координаты реализуются путем выбора пунктов-основ и закрепления геодезического датюма, ISO говорит о "координатной опорной системе", а IERS использует термин "опорная система координат". Термин ISO для преобразования датюма – "координатное преобразование".

Позиционирование

Геопозиционирование, или просто позиционирование, – это определение местоположения, заданного набором геодезических координат, точки на суше, на море или в пространстве в системе координат (абсолютное позиционирование) или относительно другой точки (относительное позиционирование). Положение точки в пространстве вычисляется на основе измерений, связывающих земные или внеземные точки с известными координатами ("известные точки") с земными точками с неизвестными координатами ("неизвестные точки"). Вычисление может включать преобразования между астрономическими и земными системами координат. В качестве известных точек при абсолютном позиционировании могут использоваться спутники GNSS или пункты триангуляции сети более высокого порядка. Традиционно геодезисты создавали иерархию сетей для обеспечения абсолютного позиционирования в пределах страны. Наивысшим уровнем в этой иерархии являлась триангуляционная сеть, уплотняемая сетями полигонов, к которым привязывались местные картографические и геодезические измерения, обычно выполняемые с помощью измерительной ленты, углового отражателя и красно-белых шестов. В настоящее время широко используется GPS, за исключением специализированных измерений (например, в подземных условиях или при высокоточных инженерных работах). Сети высшего порядка измеряются статическим GPS с использованием дифференциальных измерений для определения векторов между наземными пунктами. Эти векторы затем подвергаются уравниванию в традиционной сетевой манере. Глобальный полиэдр постоянно функционирующих станций GPS под эгидой IERS служит основой для определения единой глобальной геоцентрической системы отсчета, которая является системой отсчета "нулевого порядка" (глобальной), к которой привязаны национальные измерения. Кинематическое позиционирование в реальном времени (RTK GPS) часто используется в геодезической съемке. При использовании этой методики неизвестные точки могут быть быстро привязаны к ближайшим известным наземным точкам. Одной из целей абсолютного позиционирования является обеспечение известных точек для картографических измерений, также известных как (горизонтальные и вертикальные) опорные пункты. В стране могут существовать тысячи таких геодезически определенных точек, обычно документируемых национальными картографическими агентствами. Специалисты, занимающиеся кадастром и страхованием, используют их для привязки местных измерений.

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.

Измерения

Справочная поверхность (уровень), используемая для определения разности высот и систем отсчета высот, известна как средний уровень моря. Традиционный спиртовой уровень напрямую определяет такие (наиболее полезные для практических целей) высоты над уровнем моря; более экономичное использование GPS-инструментов для определения высоты требует точного знания фигуры геоида, поскольку GPS предоставляет высоты только относительно эталонного эллипсоида GRS80. По мере совершенствования определения геоида можно ожидать увеличения использования GPS для определения высот. Теодолит – это прибор, используемый для измерения горизонтальных и вертикальных (относительно местной вертикали) углов на целевые точки. Кроме того, тахеометр определяет, электронным или электрооптическим способом, расстояние до цели и обладает высокой степенью автоматизации, вплоть до роботизированной работы. Широко применяется для тех же целей метод свободной станции. Обычно для локальных детальных съемок используются тахеометры, хотя старомодный прямоугольный метод с использованием угловой призмы и стальной ленты остается недорогой альтернативой. Как уже упоминалось, существуют также быстрые и относительно точные методы кинематического GPS в реальном времени (RTK). Собранные данные маркируются и записываются в цифровом формате для ввода в базы данных географических информационных систем (ГИС). Геодезические GNSS-приемники (чаще всего GPS) непосредственно выдают 3D-координаты в геоцентрической системе координат. Одной из таких систем является WGS84, а также системы Международной службы вращения Земли и опорных систем (IERS). GNSS-приемники практически полностью заменили наземные инструменты для крупномасштабных базовых сетей. Для мониторинга нерегулярностей вращения Земли и движений тектонических плит, а также для планетарных геодезических съемок используются методы очень длинной базовой интерферометрии (VLBI), измеряющие расстояния до квазаров, лунного лазерного дальномера (LLR), измеряющего расстояния до призм на Луне, и спутникового лазерного дальномера (SLR), измеряющего расстояния до призм на искусственных спутниках. Гравитация измеряется гравиметрами, которые бывают двух типов. Первые – абсолютные гравиметры, основанные на измерении ускорения свободного падения (например, отражающей призмы в вакуумной трубе). Они используются для создания вертикального геопространственного контроля или в полевых условиях. Вторые – относительные гравиметры, основанные на пружинах и более распространенные. Они применяются при гравиметрических исследованиях на больших территориях для определения фигуры геоида над этими территориями. Наиболее точные относительные гравиметры называются сверхпроводящими гравиметрами, чувствительными к одной тысячной одной миллиардной части силы тяжести на поверхности Земли. Около двадцати сверхпроводящих гравиметров используются во всем мире для изучения земных приливов, вращения, внутреннего строения, океанической и атмосферной нагрузки, а также для проверки гравитационной постоянной Ньютона. В будущем гравитация и высота могут быть измеримы с использованием специальной релятивистской концепции замедления времени, определяемой оптическими часами.

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.

Единицы и меры на эллипсоиде

Географическая широта и долгота указываются в единицах градуса, минуты дуги и секунды дуги. Это углы, а не метрические величины, и описывают направление местной нормали к эталонному эллипсоиду вращения. Это направление приблизительно совпадает с направлением отвеса, то есть местной силы тяжести, которая также является нормалью к поверхности геоида. По этой причине астрономическое определение положения – измерение направления отвеса астрономическими методами – достаточно эффективно при использовании эллипсоидальной модели формы Земли. Одна географическая миля, определяемая как одна минута дуги на экваторе, равна 1855,32571922 м. Одна морская миля – это одна минута астрономической широты. Радиус кривизны эллипсоида изменяется в зависимости от широты, будучи наибольшим на полюсе и наименьшим на экваторе, как и в случае морской мили. Метр первоначально определялся как десятимиллионная часть длины от экватора до Северного полюса вдоль парижского меридиана (фактическая реализация не совсем достигла этой цели, с отклонением в 200 ppm в современных определениях). Это означает, что один километр приблизительно равен (1/40 000) * 360 * 60 меридиональных минут дуги, или 0,54 морской мили. (Это не совсем точно, поскольку обе единицы были определены на разных основаниях, поэтому международная морская миля равна ровно 1852 м, что соответствует округлению 1000/0,54 м до четырех знаков).