Географія. Профільний рівень. 11 клас. Масляк

Розділ I. Топографія з основами геодезії та картографія. Географічні інформаційні системи (ГІС) та дистанційне зондування Землі (ДЗЗ)

  • Тема 1. Топографія з основами геодезії
  • Тема 2. Картографія
  • Тема 3. Географічні інформаційні системи (ГІС) та дистанційне зондування Землі (ДЗЗ)

Тема 1. Топографія з основами геодезії

§ 2. Форма і розміри Землі (геоїд, рівнева поверхня)

1. Пригадайте способи зображення Землі. 2. Поясніть, чому існують різні види масштабів, у чому їх відмінності.

1. ТОПОГРАФІЯ ТА ГЕОДЕЗІЯ ЯК НАУКИ. Топографія (від грец. — «описувати місцевість») тісно пов’язана з картографією та геодезією і розглядає в деталях способи вивчення земної поверхні й відображення її на картах і планах. Топографічна зйомка є основним методом вивчення земної поверхні. Для створення топографічних карт земної поверхні в заданому масштабі проводять комплекс польових вимірювань на місцевості та камеральні роботи.

Значення топографії важко переоцінити, особливо для картографування природного середовища. Описи місцевості не замінять топографічних карт, які є основним матеріалом для складання загальногеографічних карт.

Геодезія тісно пов’язана з астрономією, географією, геологією, геоморфологією, геофізикою. Завдання геодезії — визначення форми й розмірів Землі та її зовнішнього гравітаційного поля; дослідження горизонтальних і вертикальних деформацій земної кори; дослідження змін берегової лінії Світового океану та земних полюсів. Серед практичних завдань виділяють: визначення положення окремих точок земної поверхні в обраній системі координат; складання карт і планів місцевості; виконання вимірювань для пошуку, проектування, будівництва й експлуатації будівель і споруд.

Що таке загальногеографічна карта? Як ви її використовуєте?

СЛОВНИК

Топографія — наука, що вивчає методи зображення географічних і геометричних елементів місцевості з метою створення топографічних карт.

Topography is a science that studies the earth's surface geometrically in order to create topographic maps.

СЛОВНИК

Геодезія — наука про методи визначення фігури й розмірів Землі, зображення її поверхні на планах і картах, а також точних вимірювань на місцевості для розв'язання різних наукових і практичних завдань.

Geodesy — the science of methods for determining the shape and size of the Earth, the image of its surface on plans and maps, as well as precise measurements on the ground for solving various scientific and practical problems.

Уперше визначення головних понять геодезії — землерозділ та землемір — у IV ст. до н. е. дав Аристотель (384—322 рр. до н. е.) у книзі «Метафізика». У долині Нілу були споруджені зрошувальні системи й канали, палаци й храми, піраміди, будівництво яких було неможливе без відповідних геодезичних робіт, що виконували досить точно, а відповідні знання з'явилися набагато раніше. Щоб розділити планету на окремі земельні ділянки — материки, геодезичні вимірювання за кілька століть до нашої ери проводили не тільки в Єгипті, а й в інших країнах.

2. ФОРМА І РОЗМІРИ ЗЕМЛІ. Фізична поверхня Землі настільки складна, що її не можна описати жодною математичною формулою. Виникла ідея підібрати та взяти форму й розміри типової геометричної фігури, яка є строгою математичною поверхнею і за своєю величиною буде найближчою до фігури Землі. Науку спрямували на вивчення елементів відхилень між цією фігурою та існуючою фізичною поверхнею Землі.

Існуючу фігуру Землі беруть за рівневу поверхню, похідна якої збігається з поверхнею води океанів у спокійному стані й уявно продовжена під материками. Властивістю цієї поверхні є те, що в кожній її точці прямовисна лінія перпендикулярна до похідної. Вона не збігається з поверхнею жодної математичної фігури й має неправильну форму — геоїд. Дослідження довели, що математична форма Землі більше нагадує еліпсоїд, який утворюється від обертання еліпса навколо своєї малої осі.

Обчисленням півосей а і b еліпсоїда займалися багато вчених. Російський вчений Ф. Красовський отримав такі результати:

Цей еліпсоїд називають референц-еліпсоїдом Красовського. Його поверхня відрізняється від рівневої на величину не більше 150 м. Хоча Земля не є кулею, вона насправді дуже близька до цієї форми (мал. 1).

СЛОВНИК

Гравіметр — інструмент, що використовується для вимірювання гравітаційного прискорення. Градієнт пов'язаного гравітаційного потенціалу певної маси є прискоренням цього потенціалу.

Gravimetry is a tool used to measure gravity acceleration. The gradient of bound gravitational potential of a certain mass is to accelerate this potential.

СЛОВНИК

Датум — набір параметрів, що використовуються для зміщення і трансформації референц-еліпсоїда в локальні географічні координати.

Datum is a set of parameters used to displace and transform the reference ellipsoid into local geographic coordinates.

Розгляньте мал. 1 та зробіть відповідні висновки.

Отже, форма Землі — це сплющений сфероїд, тобто Земля стиснута на полюсах та випукла на екваторі. Не ідеально сферична Земля має дуже малу різницю між радіусами від центра до екватора та полюсів (1/298). Сплющений сфероїд є одним із класів тривимірних об’єктів, що мають спільну назву — еліпсоїди. Усі типи еліпсоїдів застосовуються як основа математичних моделей для опису форми Землі.

Для зображення форми Землі не існує геометричної фігури. Існують регіональні аномалії в її гравітаційній силі, змінюється й маса речовини Землі, що спричиняє відмінності у гравітації. На цьому рівні форма Землі є гладкою та близькою до еліпсоїда, однак із певною хвилястістю. Цю форму називають геоїдом.

Ви вже знайомі з поняттями «еліпсоїд», «сфероїд», «геоїд». Поясніть їх значення.

Геоїд визначають як поверхню постійного гравітаційного потенціалу. Чим далі від ядра Землі, тим меншою є гравітаційна сила. Ми можемо скористатися цими знаннями для досить точного визначення нашого перевищення. Застосовуючи гравіметр, який досить точно вимірює гравітаційне поле Землі, можна розрахувати перевищення над певним датумом, таким як середній рівень моря, навіть перебуваючи за тисячі кілометрів від нього.

Мал. 1. а) Земний еліпсоїд; б) наближення до справжньої форми Землі.

Мал. 2. Гравітаційний потенціал Землі (джерело: НАСА, за даними місії GRACE).

Геоїд не відображає місцеві пагорби й долини, а подає лише об’єкти середнього розміру (гірські хребти, улоговини завширшки в сотні кілометрів тощо). Дуже малі об’єкти (пагорби, долини), які не впливають на регіональне гравітаційне поле, на геоїді не відображуються.

Геоїд як поверхня постійного гравітаційного потенціалу досить змінний за формою. Поверхня здебільшого найвища вздовж гірських хребтів, і найнижча в океанічних улоговинах (мал. 2).

Використовуючи глобус, визначте розташування максимальних аномалій гравітаційного поля Землі. Які географічні райони розташовані в межах цих територій?

Океани, наповнені рідиною, повторюють форму геоїда майже точно. Ідеально гладка поверхня океану (без вітрів, припливів і температурних відмінностей) точно повторювала б форму геоїда. Найпростіший спосіб уявити геоїд — припустити, що немає континентів, а вся поверхня Землі вкрита водою.

Оскільки поверхня Землі нерівномірна, то й форма геоїда визначена недостатньо точно, отже, непридатна для розміщення в системі X, Y та Z координат. Щоб уникнути цієї проблеми, вибирають наближену до геоїда форму — еліпсоїд (для певної території держави, континенту, півкулі, планети). Це дає можливість робити математичні перетворення із географічної у проекційну систему координат. Оскільки еліпсоїд є математичною конструкцією, значення можуть бути отримані для будь-якої точки поверхні лише заповненням значень широти й довготи у формулі, використаній для створення еліпсоїда.

Математично еліпсоїд є об’єктом із різною довжиною осей X, Y та Z. Він відрізняється від сфероїда, у якого вісі X та Y однакової, а вісь Z — відмінної довжини. Із практичної точки зору в геодезії часто розглядають сфероїди як особливий клас еліпсоїдів.

Оскільки Земля не є ідеальною геометричною формою, використовується багато еліпсоїдів, які описують земну поверхню відносно точно в різних місцях. В Україні у 2003 р. розпочали роботу з модернізації ДГМ (державної геодезичної мережі) й моделювання параметрів референцної системи координат. Була побудована наближена модель квазігеоїда, яка найкращим чином відповідає території держави. У результаті цих досліджень і відповідних робіт з 1 січня 2007 р. була запроваджена Державна геодезична референцна система координат — УСК-2000.

Із додаткових джерел доберіть інформацію про УСК-2000.

ВИСНОВКИ

  • Топографія та геодезія — найдавніші науки на Землі. Їх практичне значення полягає не лише у складанні карт і планів місцевості, але й у проведенні вимірювань, необхідних для різноманітної господарської діяльності людини.
  • Складна фізична поверхня Землі не відповідає жодному фізичному закону, і виразити її математичною формулою неможливо.
  • Дослідження встановили, що математична форма Землі нагадує більше еліпсоїд, який утворюється від обертання еліпса навколо своєї малої осі. Вона не збігається із жодною поверхнею математичної фігури й сама має неправильну форму.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

  • 1. Доведіть, що форма Землі неправильна і не піддається точним математичним обчисленням.
  • 2. Обґрунтуйте практичне значення геодезії та топографії.
  • 3. Спрогнозуйте вплив інформаційних технологій на подальший розвиток топографії.
  • 4. Порівняйте план, топографічну та географічну карти. Поясніть відмінності між ними.