Геодезия

редактировать
Наука о геометрической форме, ориентации в пространстве и гравитационном поле Земли Старый геодезический столб (триангуляция столба ) (1855) в Остенде, Бельгия

Геодезия () - это Науки о Земле точное измерение и понимание Земли геометрической формы, ориентации в пространстве и гравитационного поля. Поле также включает исследования того, как эти свойства меняются с течением времени, и эквивалентные измерения для других планет (известная как планетная геодезия ). Геодинамические явления включают движение земной коры, приливы и полярное движение, которые могут быть изучены путем разработки глобальных и национальных сетей управления, применяя космические и наземные методы и опираясь на системы координат и системы координат.

Содержание

  • 1 Определение
  • 2 История
  • 3 Геоид и опорный эллипсоид
  • 4 Системы координат в пространстве
    • 4.1 Системы координат на плоскости
  • 5 Высоты
  • 6 Геодезические данные
  • 7 Позиционирование точек
  • 8 Геодезические задачи
  • 9 Концепции наблюдений
  • 10 Измерения
  • 11 Единицы и меры на эллипсоиде
  • 12 Временные изменения
  • 13 Известные геодезисты
    • 13.1 Математические геодезисты до 1900 года
    • 13.2 Геодезисты 20 века
  • 14 См. Также
  • 15 Ссылки
  • 16 Далее чтение
  • 17 Внешние ссылки

Определение

Слово геодезия происходит от древнегреческого слова γεωδαισία geodaisia ​​(буквально «разделение Земли»).

Это в первую очередь связано с позиционированием внутри временно изменяющегося гравитационного поля. Геодезия в немецкоязычном мире делится на «высшую геодезию» («Erdmessung» или «höhere Geodäsie»), которая связана с измерением Земли в глобальном масштабе, и «практическая геодезия» или «инженерия». геодезия »(« Ingenieurgeodäsie »), которая связана с измерением определенных частей или регионов Земли и включает съемку. Такие геодезические операции также применяются к другим астрономическим телам в солнечной системе. Это также наука об измерении и понимании геометрической формы Земли, ориентации в пространстве и гравитационного поля.

В значительной степени форма Земли является результатом вращения, которое вызывает ее экваториальную выпуклость, и конкуренции геологических процессов, таких как столкновение плит и вулканизма, сопротивляемых гравитационным полем Земли. Это относится к твердой поверхности, жидкой поверхности (динамическая топография морской поверхности ) и атмосфере Земли. По этой причине изучение гравитационного поля Земли называется физической геодезией.

История

Геоид и опорный эллипсоид

геоид по сути является фигурой Земля извлечена из ее топографических особенностей. Это идеализированная поверхность равновесия морской воды, поверхность среднего уровня моря при отсутствии течений и колебаний давления воздуха, и продолжалась под континентальными массами. Геоида, в отличие от ссылка эллипсоида, нерегулярно и слишком сложно, чтобы служить в качестве поверхности вычислительная , на котором для решения таких проблем, как геометрические точки позиционирования. Геометрическое разделение между геоидом и опорным эллипсоидом называется геоидальной волнистостью. В глобальном масштабе он колеблется в пределах ± 110 м, когда речь идет об эллипсоиде GRS 80.

Опорный эллипсоид, обычно выбираемый таким же размером (объемом), что и геоид, описывается его большой полуосью (экваториальным радиусом) a и уплощением f. Величина f = a - b / a, где b - малая полуось (полярный радиус), является чисто геометрической. Механическая эллиптичность Земли (динамическое уплощение, символ J 2) может быть определена с высокой точностью путем наблюдения возмущений орбиты спутника . Его связь с геометрическим уплощением косвенная. Взаимосвязь зависит от распределения внутренней плотности или, проще говоря, от степени центральной концентрации массы.

Геодезическая справочная система 1980 года (GRS 80 ) установила большую полуось 6,378,137 м и уплощение 1: 298,257. Эта система была принята на XVII Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (IUGG ). По сути, это основа геодезического позиционирования с помощью Глобальной системы позиционирования (GPS) и, таким образом, также широко используется за пределами геодезического сообщества. Многочисленные системы, которые страны используют для создания карт и карты становятся устаревшими, поскольку страны все больше и больше двигаться к глобальной геоцентрической системе отсчета с помощью опорного эллипсоида GRS 80.

Геоид «реализуемый», то есть его можно постоянно определять на Земле с помощью подходящих простых измерений физических объектов, таких как мареограф. Таким образом, геоид можно рассматривать как реальную поверхность. Справочный эллипсоид, однако, имеет множество возможных экземпляров, и его нелегко реализовать, поэтому это абстрактная поверхность. Третья первичная поверхность, представляющая геодезический интерес - топографическая поверхность Земли - представляет собой реальную поверхность.

Системы координат в пространстве

Расположение точек в трехмерном пространстве наиболее удобно описывать тремя декартовыми или прямоугольными координатами X, Y и Z. Поскольку С появлением спутникового позиционирования такие системы координат обычно геоцентрические : ось Z совмещена с осью вращения Земли (условной или мгновенной).

До эры спутниковой геодезии системы координат, связанные с геодезическими датумом, пытались быть геоцентрическими, но их происхождение отличалось от геоцентра на сотни метров из-за региональных отклонений в сторону отвеса (вертикаль). Эти региональные геодезические данные, такие как ED 50 (European Datum 1950) или NAD 27 (North American Datum 1927), имеют связанные с ними эллипсоиды, которые регионально "лучше всего подходят" для геоидов в пределах своих областей действия, сводя к минимуму отклонения вертикали над этими областями.

Только потому, что спутники GPS вращаются вокруг геоцентра, эта точка естественным образом становится источником системы координат, определяемой средствами спутниковой геодезии, поскольку положения спутников в космосе сами вычисляются в такая система.

Геоцентрические системы координат, используемые в геодезии, естественным образом можно разделить на два класса:

  1. инерциальные системы отсчета, в которых оси координат сохраняют свою ориентацию относительно неподвижных звезд, или эквивалентно осям вращения идеальных гироскопов ; ось X указывает на точку весеннего равноденствия
  2. , вращающуюся в одном направлении, также на ECEF («Земля по центру, Земля неподвижна»), где оси прикреплены к твердому телу Земли. Ось X лежит в пределах плоскости меридиана обсерватории Гринвич.

Преобразование координат между этими двумя системами описывается с хорошим приближением (кажущееся) звездное время, который учитывает вариации осевого вращения Земли (вариации длины дня ). Более точное описание также принимает во внимание полярное движение, явление, за которым внимательно следят геодезисты.

Системы координат на плоскости

A Мюнхен Архив с литографией таблицами карт Баварии

В топографической съемке и отображение, важные области применения геодезии, на плоскости используются два общих типа систем координат:

  1. Плоско-полярные, в которых точки на плоскости определяются расстоянием s от заданной точки вдоль луча имеющий заданное направление α относительно базовой линии или оси;
  2. прямоугольные, точки определяются расстояниями от двух перпендикулярных осей, называемых x и y. Геодезическая практика - вопреки математическому соглашению - допускать, чтобы ось x указывала на север, а ось y - на восток.

Прямоугольные координаты на плоскости могут использоваться интуитивно относительно текущего местоположения человека в в этом случае ось x будет указывать на местный север. Более формально такие координаты могут быть получены из трехмерных координат с использованием уловки проекции карты. Невозможно отобразить изогнутую поверхность Земли на плоской поверхности карты без деформации. Наиболее часто выбираемый компромисс - называемый конформной проекцией - сохраняет углы и отношения длин, так что маленькие кружки отображаются как маленькие кружки, а маленькие квадраты как квадраты.

Примером такой проекции является UTM (Универсальная поперечная проекция Меркатора ). На плоскости карты у нас есть прямоугольные координаты x и y. В этом случае северное направление, используемое для справки, - это север карты, а не местный север. Разница между ними называется сходимостью меридианов.

Достаточно легко «перевести» между полярными и прямоугольными координатами на плоскости: пусть, как указано выше, направление и расстояние равны α и s соответственно, тогда мы имеем

Икс = s соз ⁡ α Y = s грех ⁡ α {\ Displaystyle {\ begin {выровнено} x = s \ cos \ alpha \\ y = s \ sin \ alpha \ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}x=s\cos \alpha \\y=s\sin \alpha \end{aligned}}}

обратное преобразование дается выражением:

s = x 2 + y 2 α = arctan ⁡ yx. {\ displaystyle {\ begin {align} s = {\ sqrt {x ^ {2} + y ^ {2}}} \\\ alpha = \ arctan {\ frac {y} {x}}. \ end { выровнен}}}{\displaystyle {\begin{aligned}s={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}\\\alpha =\arctan {\frac {y}{x}}.\end{aligned}}}

Высота

В геодезии точка или местность высота - это «над уровнем моря », неровная, физически определенная поверхность. Существуют следующие варианты высот:

  1. Ортометрические высоты
  2. Нормальные высоты
  3. Геопотенциальные высоты

Каждая имеет свои преимущества и недостатки. Как ортометрическая, так и нормальная высота - это высота в метрах над уровнем моря, тогда как геопотенциальные числа являются мерой потенциальной энергии (единица измерения: мс), а не метрическими. Ортометрическая и нормальная высоты различаются точным образом, в котором средний уровень моря концептуально продолжается под континентальными массами. Базовая поверхность для ортометрических высот является геоид, эквипотенциальная поверхность аппроксимирующей среднего уровня моря.

Ни одна из этих высот никоим образом не связана с геодезическими или эллипсоидальными высотами, которые выражают высоту точки над опорным эллипсоидом. Приемники спутникового позиционирования обычно обеспечивают эллипсоидальные высоты, если они не оснащены специальным программным обеспечением для преобразования, основанным на модели геоида.

Геодезические данные

Поскольку координаты геодезических точек (и высоты) всегда получаются в В системе, которая была построена на основе реальных наблюдений, геодезисты вводят понятие «геодезические данные»: физическая реализация системы координат, используемой для описания местоположения точек. Реализация является результатом выбора обычных значений координат для одной или нескольких опорных точек.

В случае данных о высоте достаточно выбрать одну точку отсчета: эталонный ориентир, обычно датчик уровня моря на берегу. Таким образом, у нас есть вертикальные данные, такие как NAP (Normaal Amsterdams Peil ), североамериканский вертикальный датум 1988 года (NAVD 88), данные Кронштадта, данные Триеста и т. Д.

В случае плоских или пространственных координат обычно требуется несколько опорных точек. Региональная эллипсоидальная точка привязки, такая как ED 50, может быть зафиксирована путем задания волнистости геоида и отклонения вертикали в одной точке привязки, в данном случае башни Гельмерта в Потсдам. Однако также можно использовать переопределенный ансамбль опорных точек.

Изменение координат набора точек, относящихся к одной системе координат, таким образом, чтобы они относились к другой системе координат, называется преобразованием системы координат. В случае вертикальных данных это состоит из простого добавления постоянного сдвига ко всем значениям высоты. В случае плоских или пространственных координат преобразование датума принимает форму преобразования подобия или преобразования Гельмерта, состоящего из операции поворота и масштабирования в дополнение к простому перемещению. На плоскости преобразование Хельмерта имеет четыре параметра; в космосе семь.

Примечание по терминологии

В аннотации система координат, используемая в математике и геодезии, называется «системой координат» в терминологии ISO, тогда как Международное вращение Земли и справочная информация Системная служба (IERS) использует термин «справочная система». Когда эти координаты реализуются путем выбора опорных точек и фиксации геодезических данных, ISO говорит «система координат», а IERS говорит «опорная система». Термин ISO для преобразования датума снова является «преобразованием координат».

Позиционирование точки

Геодезическая контрольная метка (пример глубинного эталона )

Позиционирование точки - это определение координат точка на суше, в море или в космосе относительно системы координат. Положение точки определяется путем вычисления на основе измерений, связывающих известные положения наземных или внеземных точек с неизвестным положением на Земле. Это может включать преобразования между астрономическими и наземные системы координат. Известными точками, используемыми для определения местоположения, могут быть точки триангуляции точки сети более высокого порядка или GPS спутники.

Традиционно иерархия сетей были построены для позиционирования точек внутри страны. На верхнем уровне иерархии были сети триангуляции. Они были уплотнены в сети из пересечений (полигонов ), в которых, как правило, y с помощью рулетки, угловая призма и знакомые красные и белые полюса связаны.

В настоящее время все измерения, кроме специальных (например, подземные или высокоточные инженерные измерения), выполняются с помощью GPS. Сети высшего порядка измеряются с помощью статической GPS, с использованием дифференциального измерения для определения векторов между наземными точками. Затем эти векторы корректируются традиционным сетевым способом. Глобальный многогранник постоянно действующих GPS-станций под эгидой IERS используется для определения единой глобальной геоцентрической системы отсчета, которая служит глобальной ссылкой «нулевого порядка», к которой привязаны национальные измерения.

Для съемки карт часто используется кинематика в реальном времени GPS, связывая неизвестные точки с известными наземными точками поблизости в реальном времени.

Одной из целей позиционирования точек является предоставление известных точек для измерения на карте, также известного как (горизонтальное и вертикальное) управление. В каждой стране существуют тысячи таких известных точек, которые обычно документируются национальными картографическими агентствами. Сюрвейеры, занимающиеся недвижимостью и страхованием, будут использовать их для привязки своих местных измерений.

Геодезические задачи

В геометрической геодезии существуют две стандартные проблемы - первая (прямая или прямая) и вторая (обратная или обратная).

Первая (прямая или прямая) геодезическая задача
Дана точка (с точки зрения ее координат), направление (азимут ) и расстояние от этой точки до второй укажите (координаты) этой второй точки.
Вторая (обратная или обратная) геодезическая задача
Для двух точек определите азимут и длину линии (прямая, дуга или геодезическая ), которая их соединяет.

В плоской геометрии (справедливо для небольших участков на поверхности Земли) решения обеих проблем сводятся к простой тригонометрии. На сфере, однако, решение значительно сложнее, потому что в обратной задаче азимуты будут различаться между двумя конечными точками соединяющей дуги большого круга.

На эллипсоиде вращения геодезические могут быть записаны в терминах эллиптических интегралов, которые обычно вычисляются в терминах разложения в ряд - см., Например, формулы Винсенти. В общем случае решение называется геодезической для рассматриваемой поверхности. дифференциальные уравнения для геодезической могут быть решены численно.

Концепции наблюдений

Здесь мы определяем некоторые базовые концепции наблюдений, такие как углы и координаты, определенные в геодезии (а также астрономии ), в основном с точки зрения местных наблюдатель.

  • Линия отвеса или вертикальная : направление местной силы тяжести или линия, которая получается в результате следования за ней.
  • Зенит : точка на небесная сфера, где направление вектора гравитации в точке, вытянутой вверх, пересекает ее. Правильнее называть это направлением, а не точкой.
  • Надир : противоположная точка - или, скорее, направление - где направление силы тяжести, простирающееся вниз, пересекает ( затемнена) небесная сфера.
  • Небесный горизонт : плоскость, перпендикулярная вектору силы тяжести точки.
  • Азимут : угол направления в плоскости горизонта, обычно отсчитываемый от севера по часовой стрелке (в геодезии и астрономии) или на юге (во Франции).
  • Elevation : угловая высота объекта над горизонтом. Альтернативно зенитное расстояние, равное 90 градусам минус возвышение.
  • Местные топоцентрические координаты : азимут (угол направления в плоскости горизонта), угол возвышения (или зенитный угол), расстояние.
  • Север небесный полюс : продолжение оси мгновенного вращения Земли (прецессия и нутация ), протянутая на север до пересечения с небесной сферой. (Аналогично для южного небесного полюса.)
  • Небесный экватор : (мгновенное) пересечение экваториальной плоскости Земли с небесной сферой.
  • Меридиан плоскость : любая плоскость, перпендикулярная небесной сфере. экватора и содержащего небесные полюса.
  • Местный меридиан : плоскость, содержащая направление на зенит и направление на небесный полюс.

Измерения

File:Stephen Merkowitz NASA's Space Geodesy Project.ogvВоспроизвести медиа Менеджер проекта НАСА рассказывает о его работа для проекта Космическая геодезия, включая обзор его четырех основных методов: GPS, VLBI, SLR и DORIS.

The Уровень используется для определения разницы высот и систем отсчета высоты, обычно называемых средним уровнем моря. Традиционный спиртовой уровень обеспечивает эти практически наиболее полезные высоты непосредственно над уровнем моря ; более экономичное использование GPS приборов для определения высоты требует точного знания фигуры из геоида, так как GPS дает только высоту над GRS80 эллипсоида. По мере накопления знаний о геоидах можно ожидать, что использование высоты GPS будет распространяться.

Теодолит используется для измерения горизонтальных и вертикальных углов к целевым точкам. Эти углы относятся к местной вертикали. тахеометр дополнительно определяет с помощью электроники или электрооптически расстояние до цели, и его операции в высокой степени автоматизированы, что позволяет даже роботам. Широко используется метод.

Для местной детальной съемки обычно используются тахеометры, хотя устаревшая прямоугольная техника с использованием угловой призмы и стальной ленты по-прежнему является недорогой альтернативой. Также используются методы GPS с кинематикой в ​​реальном времени (RTK). Собранные данные помечаются и записываются в цифровом виде для ввода в базу данных Географической информационной системы (ГИС).

Геодезические GPS приемники напрямую выдают трехмерные координаты в геоцентрической системе координат. Таким кадром является, например, WGS84 или кадры, которые регулярно производятся и публикуются Международной службой систем вращения и отсчета Земли (IERS ).

Приемники GPS почти полностью заменили наземные инструменты для крупномасштабных исследований базовой сети. Для общепланетных геодезических съемок, которые ранее были невозможны, мы все же можем упомянуть спутниковую лазерную локацию (SLR) и лунную лазерную локацию (LLR) и интерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ) техники. Все эти методы также служат для отслеживания неравномерностей вращения Земли и тектонических движений плит.

Гравитация измеряется с помощью гравиметров, которые бывают двух видов. Во-первых, «абсолютные гравиметры» основаны на измерении ускорения свободного падения (например, отражающей призмы в вакуумной трубке ). Они используются для установления вертикального геопространственного контроля и могут использоваться в полевых условиях. Во-вторых, «относительные гравиметры» являются пружинными и более распространены. Они используются при гравиметрических съемках на больших площадях для определения фигуры геоида на этих площадях. Наиболее точные относительные гравиметры называются «сверхпроводящими» гравиметрами, которые чувствительны к одной тысячной одной миллиардной силы тяжести земной поверхности. Двадцать с небольшим сверхпроводящих гравиметров используются во всем мире для изучения приливов, вращения, внутренней части и океанической и атмосферной нагрузки, а также для проверки постоянной Ньютона гравитация.

В будущем сила тяжести и высота будут измеряться с помощью релятивистского замедления времени, измеряемого стронциевыми оптическими часами.

Единицами и измерениями на эллипсоиде

Географические широта и долгота указываются в единицах градуса, угловой минуты и угловой секунды. Они углы, а не метрические меры, и описать направление локального нормали к референц-эллипсоид революции. Это примерно то же самое, что и направление отвеса, то есть местная сила тяжести, которая также является нормалью к поверхности геоида. По этой причине определение астрономического местоположения - измерение направления отвеса астрономическими средствами - работает достаточно хорошо при условии использования эллипсоидальной модели фигуры Земли.

Одна географическая миля, определяемая как одна угловая минута на экваторе, равна 1855,32571922 м. Одна морская миля - это одна минута астрономической широты. Радиус кривизны эллипсоида зависит от широты: самый длинный на полюсе и самый короткий на экваторе, как и морская миля.

Метр был первоначально определен как 10-миллионная часть длины от экватора до Северного полюса вдоль меридиана через Париж (цель не была полностью достигнута в реальной реализации, поэтому отклонена на 200 ppm в текущих определениях). Это означает, что один километр примерно равен (1/40 000) * 360 * 60 меридиональных дуговых минут, что равняется 0,54 морской миле, хотя это неточно, поскольку эти две единицы определены на разных основаниях (международная морская миля определяется как ровно 1852 м, что соответствует округлению от 1000 / 0,54 м до четырех цифр).

Временные изменения

В геодезии временные изменения можно изучать с помощью различных методов. Точки на поверхности Земли меняют свое положение из-за различных механизмов:

  • движение континентальных плит, тектоника плит
  • эпизодическое движение тектонического происхождения, особенно близко к линиям разломов
  • Периодические эффекты из-за приливы
  • Послледниковый поднятие суши из-за изостатической адаптации
  • Изменения массы из-за гидрологических изменений
  • Антропогенные движения, такие как строительство резервуаров или нефть или добыча воды

Наука об изучении деформаций и движений земной коры и ее твердости в целом называется геодинамикой. Часто в его определение также включается изучение неправильного вращения Земли.

Методы изучения геодинамических явлений в глобальном масштабе включают:

Известные геодезисты

Математические геодезисты до 1900 года

геодезисты 20 века

См. Также

  • Земля научный портал
  • icon Геофизический портал
Основы
Государственные агентства
Международные организации
Другое

Ссылки

Дополнительная литература

  • F. Р. Хелмерт, Математические и физические теории высшей геодезии, часть 1, ACIC (Сент-Луис, 1964). Это английский перевод Die Mathematischen und Physikalischen Theorieen der höheren Geodäsie, Vol 1 (Teubner, Leipzig, 1880).
  • F. Р. Хелмерт, Математические и физические теории высшей геодезии, часть 2, ACIC (Сент-Луис, 1964). Это английский перевод книги Die Mathematischen und Physikalischen Theorieen der höheren Geodäsie, Vol 2 (Teubner, Leipzig, 1884).
  • B. Hofmann-Wellenhof и H. Moritz, Physical Geodesy, Springer-Verlag Wien, 2005. (Этот текст представляет собой обновленное издание классического произведения В.А. Хейсканена и Х. Морица 1967 г.)
  • W. Каула, Теория спутниковой геодезии: применение спутников в геодезии, Dover Publications, 2000. (Этот текст является перепечаткой классики 1966 года).
  • Ваничек П. и Э.Дж. Krakiwsky, Geodesy: the Concepts, стр. 714, Elsevier, 1986.
  • Torge, W (2001), Geodesy (3-е издание), опубликовано de Gruyter, ISBN 3-11-017072-8.
  • Томас Х. Мейер, Дэниел Р. Роман и Дэвид Б. Зилкоски. "Что на самом деле означает рост?" (Это серия из четырех статей, опубликованных в журнале Surveying and Land Information Science, SaLIS.)

External links

Geodesy at Wikibooks Media related to Geodesy at Wikimedia Commons

Последняя правка сделана 2021-05-21 03:21:16
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте