Геодезия - как предмет

Методы геодезии уже на ранней ступени  её развития получили применение при  решении различных инженерных задач. В 7 в. до н.э. существовали такие инженерные сооружения, как канал между Нилом  и Красным морем, оросительные системы  в долине Нила и т. д. Эти сооружения не могли быть осуществлены без соответствующих  геодезических измерений, явившихся  началом инженерной геодезия.

В 6 в. до н.э. появились предположения  о шарообразности Земли, а в 4 в. до н.э. были высказаны и некоторые  из известных нам доказательств, что Земля имеет форму шара. В это время геодезия получила своё современное название и стала  выделяться в самостоятельную науку  о методах измерения на земной поверхности и определения размеров земного шара. Знание размеров Земли  было необходимо для составления  географических карт, в которых нуждались  торговля, мореплавание, военное дело и вообще развивающаяся хозяйственная  и культурная жизнь народов.

Первое в истории науки определение  размеров Земли, как шара, было произведено  в Древнем Египте греческим учёным Эратосфеном в 3 в. до н.э. Оно было основано на правильном геометрическом методе, который получил название градусных измерений. В связи  с постановкой и решением задачи определения вида и размеров Земли, как планеты, геодезия вступила в  тесный контакт с астрономией, возникшей  задолго до этого из практической необходимости измерения времени  и предсказания смены времён года. Астрономы и математики еще во 2 в. до н. э. установили понятия о  географической широте и долготе  места, разработали первые картографические проекции, ввели сетку меридианов и параллелей на картах, предложили первые методы определения взаимного  положения точек земной поверхности  из астрономических наблюдений и  тем самым создали один из методов  картографических работ.

3.3 История развития современной геодезии

Развитие современной геодезии и методов геодезических работ  началось только в 17 в. В начале 17 в. была изобретена зрительная труба, которая имела большое значение для геодезических работ. В то же время была изобретена триангуляция, превратившаяся впоследствии в один из основных методов определения опорных геодезических пунктов для топографических съёмок. Появление угломерного инструмента, называемого теодолитом, и сочетание его со зрительной трубой, снабжённой сеткой нитей, сильно повысило точность угловых измерений, ставших важнейшей частью работ по триангуляции. В середине 17 в. был изобретён барометр, явившийся одним из инструментов для определения высоты точек земной поверхности. Были разработаны графические методы топографической съёмки, упростившие задачи составления топографических карт. На рубеже 16 и 17 вв. было установлено, что на Земле действуют силы, которые позднее получили название сил тяготения, или гравитационных сил. Во второй половине 17 в. была открыта центробежная сила и обнаружена зависимость периода колебания физического маятника от его длины и ускорения силы тяжести. К этому же времени относится установление фактов изменения длины секундного маятника с изменением широты места. Обобщение и объяснение этих явлений и фактов привело к открытию закона всемирного тяготения и обоснованию взгляда о сфероидичности Земли, т. е. сплюснутости её в направлении полюсов.

Исходя из теории тяготения и  некоторых гипотез о внутреннем строении Земли, во второй половине 17 в. И. Ньютоном и X. Гюйгенсом были сделаны  два определения величины сжатия земного сфероида чисто теоретическим  путём. Эти определения дали, сильно различающиеся друг от друга результаты, вызвавшие сомнения не только в сплюснутости фигуры Земли, но и в обоснованности закона всемирного тяготения, который в то время имел много противников. Поэтому для проверки сплюснутости фигуры Земли в конце 17 и начале 18 вв. во Франции было произведено Д. Кассини градусное измерение по меридиану от Парижа к северу до Дюнкерка и от Парижа к югу до Коллиура на границе с Испанией. Но оно привело к выводу, что Земля вытянута в направлении полюсов, и вызвало в этом вопросе большой спор, длившийся почти до середины 18 в. Спор был окончательно решён результатами работ двух геодезических экспедиций, организованных Парижской академией наук и выполнивших в 1735--42 градусные измерения в Перу и Лапландии. Результаты градусных измерений окончательно подтвердили сплюснутость Земли в направлении полюсов и дали ещё одно доказательство обоснованности закона всемирного тяготения. Указанные геодезические экспедиции, кроме полученного ими научного результата громадной важности, разработали основные принципы организации и исполнения астрономо-геодезических работ и внесли усовершенствования в методы и инструменты для астрономических определений и геодезических измерений.

К середине 18 в. были произведены первые исследования по теории фигуры Земли. Французский математик А. Клеро  вывел линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка, связывающее плотность  и сжатие внутренних сфероидальных  слоев Земли, и разъяснил противоречие между указанными выше теоретическими выводами сжатия земного эллипсоида. Это дифференциальное уравнение, впоследствии надлежащим образом уточнённое, служит теперь для определения сжатия Земли  на основании данных о её внутреннем строении. Эти исследования привели  к открытию закона распределения  силы тяжести на поверхности земного  эллипсоида и установили связь между  сжатием земного эллипсоида и  распределением силы тяжести на его  поверхности, т. е. были созданы теоретические  основы определения сжатия Земли  по измерениям силы тяжести.

Эпоха открытия закона всемирного тяготения  и указанных геодезических экспедиций явилась эпохой окончательного становления  геодезия как самостоятельной науки  о фигуре Земли и методах её изучения.

Развитие геодезии и геодезических  работ в России усилилось при  Петре I. В 1701 он основал в Москве одну из первых в России астрономических  обсерваторий и Школу математических и навигацких наук, готовившую астрономов, геодезистов, географов, гидрографов и навигаторов. В 1715 такая же школа, названная Морской академией, была открыта в Петербурге. В 1703 была издана “Арифметика” Л. Ф. Магницкого, в которой содержались основные сведения по геодезии и астрономии.

3.4 Развитие геодезии в России

Применение геодезия и выполнение геодезии, работ в России относится  к глубокой древности. Еще в 1068 по приказанию князя Глеба было измерено расстояние между городами Тамань и  Керчь по льду Керченского залива. В сборнике законов Древней Руси “Русская Правда”, относящемся к 11-- 12 вв., содержатся постановления о земельных границах, которые устанавливались путём измерений на местности. Одна из первых карт Московского государства, т. н. “Большой чертёж”, время составления которой неизвестно (оригинал и сделанная в 1627 копия не сохранились), основывалась на маршрутных съёмках и опросных данных. В царствование Ивана IV служилые люди были обязаны производить съёмку и составлять описание тех местностей, куда они направлялись. Таким образом, был собран большой описательный и картографический материал для создания карт Московского государства и прилегающих к нему территорий.

Первые топографические съёмки в России были начаты в 1696 на р. Дон, а в 1715 на р. Иртыш. В 1718--1722 геодезисты И. М. Евреинов и Ф. Ф. Лужин выполнили  топографические и географические работы на Камчатке и Курильских о-вах. В 1720 “для сочинения ланд-карт”, т. е. для топографических съёмок, геодезисты были направлены в губернии. Пётр I подчинил картографические работы непосредственно  Сенату, подчеркнув тем самым их большое государственное значение. В 1720 была издана первая инструкция для  ведения астрономо-геодезических  работ в России. В 1725 была организована Петербургская академия наук, которая  на первом же заседании обсуждала  вопрос о сфероидичности Земли. В 1737 Академия рассматривала проект большого градусного измерения в России по меридиану для определения размеров Земли. В том же году впервые в России измерением базиса на льду Финского залива были начаты триангуляционные работы. Петербургская академия наук с самого начала своего существования и особенно после образования в ней География, департамента (1739), которым с 1758 руководил великий русский учёный М. В. Ломоносов, стала осуществлять общее руководство геодезическими и картографическими работами в России. Во 2-й четверти 18 в. был организован ряд астрономо-геодезических и географических экспедиций для съёмки и описания северных и восточных окраин России. По изданному в 1765 Екатериной П манифесту о генеральном межевании земель проводились геодезические работы по составлению планов землевладений, продолжавшиеся почти до середины 19 в. и доставившие материал для уточнения и составления уездных планов и карт 36 губерний страны. В 1766 в Петербурге было издано сочинение акад. С. Котельникова “Молодой геодез или первые основания геодезии...”, которое являлось одним из первых систематических руководств по геодезии на русском языке. В нём излагались теории и методы различных геодезических измерений и описывались угломерные и нивелирные инструменты. В 1779 в Москве была основана Межевая школа, которая в 1819 была преобразована в Землемерное училище, а в 1835 -- в Межевой институт, превратившийся в крупное учебное заведение по подготовке геодезистов.

3.5 Возникновение топографических карт и геодезических сетей

На рубеже 18 и 19 вв. возросли запросы  и требования на топографические  карты. Войны того периода показали значение и ценность топографических карт для военного дела. Во многих странах Европы были созданы военно-географические институты и военно-топографические управления, производившие основные астрономо-геодезические и съёмочные работы на территории своих государств и колоний. При выполнении этих работ совершенствовались методы и инструменты геодезических измерений. В 1-й половине 19 в. стал применяться теодолит с микроскопами-микрометрами, сильно повысивший точность измерения углов, и были сконструированы различные типы жезловых базисных приборов. К этому же времени относится разработка современных методов измерения углов в триангуляции.

В 1797 в России при Генеральном  штабе армии было организовано Депо карт, которое в 1812 было преобразовано  в Военно-топографическое депо, а  в 1822 создан Корпус военных топографов (КВТ). Все основные астрономо-геодезические и топографические работы на территории России в 19 и в начале 20 вв. выполнялись этим учреждением, создавшим отечественную школу геодезии “Записки КВТ” (св. 70 томов), издававшиеся в течение почти 100 лет, являются замечательным памятником развития отечественной научной мысли в области геодезии.

В 1785 франц. учёный А. М. Лежандр ввёл понятие о потенциальной функции, положившее начало развитию теории потенциала и имеющее большое значение для  геодезии, особенно в вопросах изучения фигуры Земли. В 1792--99 во Франции П. Мешен и Ж. Деламбр заново измерили дугу меридиана от Дюнкерка до Барселоны для установления длины метра как 1/10000000 доли четверти земного меридиана. По результатам этой работы был сделан первый достаточно достоверный вывод размеров земного эллипсоида. В начале 19 в. появилась теория ошибок и принцип наименьших квадратов, лежащий в основе современных методов обработки геодезических измерений. С начала 19 в. потребности геодезии вызвали развитие теории поверхностей и, в частности, теории отображения одной поверхности на другой.

В 1816 под руководством русского военного геодезиста К. И. Теннера было начато построение триангуляции в западных пограничных губерниях России, а в прибалтийских губерниях России -- градусное измерение по меридиану, которое возглавлялось известным астрономом В. Я. Струве. Эти работы имели очень большое значение в развитии теории геодезия и методов геодезических работ. Теннер впервые ввёл деление триангуляции на классы и наметил научные принципы её построения. Он сконструировал один из типов базисного прибора, который позволял измерять базисы с точностью до 1/300000. Струве разработал названный его именем способ измерения углов триангуляции, исследовал влияние рефракции на результаты измерения углов и создал наилучший для того времени базисный прибор, применявшийся в течение всего 19 в. Работы Струве и Теннера завершились в 1855. Было закончено измерение огромной дуги меридиана, простирающейся от устьев Дуная до берегов Ледовитого океана и имеющей протяжённость более 25° по широте. Это градусное измерение, называемое “дугой Струве”, которое являлось выдающейся работой по геодезии в 19 в. и для того времени имело наивысшую точность, оказало решающее влияние на развитие теорий и методов геодезических и астрономических работ во всём мире. Оно неоднократно использовалось и до сих пор не потеряло значения для определения размеров Земли.

В 1821--24 нем. учёный К. Ф. Гаусс в Ган-Новере выполнил градусное измерение по дуге меридиана протяжённостью около 2°. Он внёс усовершенствования в методы измерения углов и впервые применил для дневных наблюдений гелиотроп. В 1831--34 нем. астроном Ф. В. Бессель произвёл небольшое градусное измерение в Восточной Пруссии. Он сконструировал базисный прибор, основанный на принципе биметаллизма, применявшийся в Германии до начала 20 в. Гаусс и Бессель разработали новые способы решения геодезических задач на поверхности земного эллипсоида.

В 1836--37 В. Я. Струве, А. Н. Савич и  др. определили разности уровней Азовского  и Каспийского морей. При этом отечественные учёные усовершенствовали  метод геодезического нивелирования  и разработали один из методов  базисной полигонометрии. Для развития теорий и методов геодезических  и астрономических работ во всём. мире выдающееся значение имела деятельность организованной в 1839 Пулковской астрономической обсерватории, которая вплоть до первой мировой войны являлась центром научного руководства этими работами в России. Два способа, разработанные русскими геодезистами, получили общее признание в астрономических работах на пунктах градусных измерений и при определениях положений опорных пунктов для топографических съёмок. Это способ определения времени, предложенный Н. Я. Цингером в 1874, и способ определения 'широты из астрономических наблюдений, предложенный М. В. Певцовым в 1887. Русский астроном О. А. Баклунд и др. в 1888 выполнили первое исследование базисного прибора Едерина, который стал применяться в России значительно раньше, чем в других странах.

Кроме “дуги Струве”, в 1848--58 на территории России были осуществлены градусные  измерения по параллели 48° от Кишинёва до Астрахани протяжённостью около 20° и в 1861--70 по параллели 52° от западных границ до Орска протяжённостью около 39° по долготе. По результатам  этих градусных измерений А. М. Жданов в 1893 произвёл одно из известных определений  размеров земного эллипсоида. В 1859 русскими военными геодезистами был разработан и применялся метод нивелир-теодолитных  работ, который в 1871 был заменён  методом геометрического нивелирования. Творческое развитие многих теоретических  и методических вопросов принадлежит  отечественным геодезистам -- И. И. Померанцеву, Д. Д. Гедеонову и др. Они предложили нивелир с уровнем при трубе, исследовали земную рефракцию, влияние её на результаты нивелирования и создали оригинальные теории этого явления. В 19 в. трудами КВТ были созданы топографические карты многих пограничных районов России в масштабе 1 и 2 версты в дюйме, 3-вёрстная карта Западной России, 10-вёрстная карта Европейской России и Западной Сибири и др. Эти карты принесли отечественным геодезистам и картографам мировую славу и долгое время использовались при решении различных хозяйственных задач и в военном деле.