Географія. З поглибленим вивченням географії. 8 клас. Масляк

Тема 3. Вступ до геодезії та основи топографії

§ 9. Фігура та розміри Землі. Поняття про геодезію

Пригадайте, що вам відомо про форму і розміри Землі. Як із часом змінювалися уявлення людей про форму нашої планети?

1. ФІГУРА ТА РОЗМІРИ ЗЕМЛІ. ЕЛІПСОЇД ТА ГЕОЇД. Давні народи уявляли Землю плоским диском, який стоїть на слонах і черепасі або на киті. Уперше кулястість Землі була доведена давньогрецькими вченими понад 2 тис. років тому. Арістотель у своїх працях наводив наукові докази кулястості Землі, спираючись на форму тіні, яку планета відкидає під час місячних затемнень. Англійський фізик Ісаак Ньютон стверджував, що внаслідок дії сил гравітації та обертання планети вона має бути сплюснута з полюсів. Яку форму й розміри має Земля на думку сучасних вчених? На основі численних геодезичних вимірювань було запропоновано обрати еліпсоїд — фігуру, наближену до форми Землі (мал. 1).

Фізична поверхня Землі створюється поверхнею океанів і материків. Океани займають майже три чверті площі нашої планети. Нерівності суходолу незначні, якщо врахувати його велику площу. Тому форма Землі визначається поверхнею Світового океану. Унаслідок нерівномірного розподілу маси та неоднорідності речовинного складу Землі її форма відхиляється від правильної форми еліпсоїда. На це відхилення впливають також гравітаційні поля Сонячної системи. Зараз фігурою, найбільш близькою до дійсної форми Землі, вважається геоїд. Слово «геоїд» буквально означає «земеподібний».

Мал. 1. Як змінювалися уявлення людей про форму та розміри Землі.

СЛОВНИК

Геоїд — форма Землі, утворена поверхнею Світового океану в стані спокою і рівноваги, тобто вільною від впливу припливів, течій, відмінностей у розподілі атмосферного тиску, та продовжена під материками, що формується силою гравітації Землі. У кожній точці геоїда напрямок сили тяжіння перпендикулярний до його поверхні.

Geoid is a form of the Earth, formed by the surface of the oceans at rest and in equilibrium and continued under the continents, formed by the force of gravity of the Earth.

Справжня форма поверхні Землі відхиляється від будь-якої умовної теоретичної поверхні еліпсоїда або геоїда. Усі нерівності рельєфу просто неможливо вписати в жодну відому математичну форму.

Європейський супутник GOCE, який пропрацював на навколоземній орбіті два роки, зібрав дані, що дозволили побудувати з великою точністю модель геоїда — ідеальної поверхні Світового океану, що формується тільки силою гравітації Землі, без урахування течій і припливів (мал. 2).

Мал. 2. Модель геоїда за супутниковими знімками.

Виміри розмірів Землі засвідчили, що вона на 21 км сплюснута біля полюсів, отже, її полярний радіус менше за екваторіальний (мал. 3).

2. ПОНЯТТЯ ПРО ГЕОДЕЗІЮ. Геодезія — одна з найдавніших наук. Перші відомості про геодезичні вимірювання з’явилися ще в Давніх Єгипті та Китаї. Вимірювання використовували під час спорудження зрошувальних систем і каналів, будівництва доріг, пірамід, Великої Китайської стіни тощо. Із найдавніших часів людина не лише вивчала особливості поверхні Землі, а й намагалася визначити її розміри. Саме за допомогою геодезичних досліджень у III ст. до н. е. Ератосфен досить точно визначив радіус нашої планети. Свого розвитку геодезія як наука набула в Давній Греції, де саме і з’явився термін «геодезія», що в перекладі означає «землеподіл» (geo — земля, desio — поділяю). Сама назва показує, що геодезія як наука виникла з практичних потреб людства, пов’язаних із вимірюваннями й поділом земельних ділянок. Римляни створили перші геодезичні прилади. Принципи, покладені в їх основу, були реалізовані в більшості сучасних геодезичних приладів.

Мал. 3. Основні параметри Землі.

СЛОВНИК

Геодезія — наука про методи визначення фігури і розмірів Землі, зображення земної поверхні на планах та картах, про точні вимірювання на місцевості, пов'язані з виконанням різних наукових і практичних завдань.

Geodesy is the science of methods for determining the shape and size of the Earth, the image of the earth's surface on plans and maps, and accurate measurements in the field associated with the performance of various scientific and practical tasks.

Давні єгиптяни помітили, що дно глибоких криниць у місті Сієна (Асуан) під час літнього сонцестояння освітлюється Сонцем, а в Александрії такого не буває. Ці спостереження використав Ератосфен для визначення радіуса Землі. Для того щоб визначити, під яким кутом Сонце розташовується на небі, він використав спеціальний прилад скафіс — чашу з довгою голкою. Після проведення вимірювань в Александрії виявилося, що кут дорівнює 1/50 кола скафіса, тобто 7 градусів 12 хвилин. Отже, Сієна відстає від Александрії на 1/50 кола Землі. Якщо відстань між цими містами дорівнювала 5 тис. стадій, то, відповідно, коло Землі — 250 тис. стадій, а радіус — 39,790 стадій. За часів Ератосфена користувалися грецькими (1 стадій — 178 м), та єгипетськими (1 стадій — 230,4 м) стадіями.

Якщо Ератосфен користувався грецькими стадіями, то радіус Землі становить 7,082 км, якщо єгипетськими — 6,287 км (сучасні вимірювання дають середній радіус — 6,371 км). Ці обчислення розмірів нашої планети були зроблені у 240 р. до н. е.

Із розвитком міждержавних торгово-економічних зв’язків виникла необхідність визначення місця розташування великих торгових центрів Стародавнього світу та відстаней між ними. У Середні віки з появою в Європі держав і розвитком феодальних відносин виникла необхідність точного визначення кордонів держав і землеволодінь. Ці питання вирішували геодезія та картографія. Перший підручник із геодезії був створений в XI ст. відомим вченим і філософом Середньовіччя Аль-Біруні.

У XVIII і XIX ст. у визначенні форми Землі головна роль відводилася геодезичним вимірюванням. Сучасна геодезія застосовує спеціальні вимірювання, що виконуються за допомогою геодезичних та інших приладів із подальшою математичною і графічною обробкою їхніх результатів. Геодезичні дослідження вирішують глобальні питання, пов’язані з визначенням форми та розмірів Землі, зміною форми земної кори, рухом материків, переміщенням берегових ліній. Також геодезія вирішує окремі практичні завдання з визначення площ ділянок, їх точних розмірів, географічних координат та особливостей рельєфу. Для здійснення цих завдань створено геодезичні мережі. Розрізняють глобальні, державні та місцеві мережі, пункти яких закріплені на місцевості за допомогою геодезичних знаків (мал. 4).

СЛОВНИК

Геодезична мережа — мережа точок (пунктів), закріплених на земній поверхні, планове й висотне положення яких визначено в загальній для них системі геодезичних координат.

Geodetic network — a network of points (points) fixed on the earth's surface, the planned and altitude position of which is determined in the system of geodetic coordinates common to them.

Мал. 4. Зовнішній вигляд геодезичного знаку.

В Україні державну політику у сфері топографо-геодезичної і картографічної діяльності здійснює Держгеокадастр — Державна служба України з питань геодезії, картографії та кадастру. Її завданнями є забезпечення функціонування та розвитку Державної геодезичної мережі, топографічне картографування території та розвиток національної системи картографування, створення та оновлення топографічних карт, проведення робіт із демаркації державного кордону України тощо. Сьогодні розвиток геодезії і картографії в Україні зміцнює обороноздатність країни для збереження її територіальної цілісності.

3. НАЗЕМНІ ТА АЕРОКОСМІЧНІ МЕТОДИ І СПОСОБИ ЗНІМАНЬ МІСЦЕВОСТІ. ГЕОДЕЗИЧНІ ПРИЛАДИ. Для того щоб створити великомасштабну карту або план, потрібно провести на земній поверхні вимірювання ліній і кутів.

СЛОВНИК

Вимірювання — визначення певної величини шляхом порівняння її з іншою величиною, яку беруть за одиницю виміру, застосовуючи спеціальні прилади.

Measurement is the determination of a certain quantity by comparing it with another quantity, which is taken as a unit of measurement, using special devices.

Мал. 5. Проведення знімання місцевості.

Мал. 6. Електронний тахеометр.

СЛОВНИК

Знімання місцевості — сукупність польових і камеральних робіт зі створення картографічного зображення ділянки земної поверхні.

Surveying is a set of field and in-house work to create a cartographic image of the earth's surface.

За даними кутових і лінійних вимірювань шляхом обчислень визначають точне положення точок місцевості у вибраній системі координат. Саме за координатами наносять точки місцевості на карту (план).

Знімання місцевості, метою яких є створення топографічних карт і планів, називаються топографічними. Вони поділяються на наземні та дистанційні залежно від розташування знімального обладнання під час робіт. До дистанційних знімань належать аерофототопографічне (повітряне) і космічне знімання. Топографічні знімання залежно від практичних завдань, які вони вирішують, можуть бути зніманням шельфу, землевпорядним зніманням тощо.

Під час топографічних знімань вимірюють кути, відстані та висоти спеціальними приладами: теодолітами, нівелірами, тахеометрами (мал. 5). Серед сучасних геодезичних приладів слід виділити електронний тахеометр — прилад, за допомогою якого можна виконати майже всі види геодезичних робіт: вимірювання кутів, відстаней та перевищень (мал. 6).

Мал. 7. Аерофотознімання з літака.

Мал. 8. Проведення наземного знімання з ГНСС-приймачем.

Для створення та оновлення топографічних карт часто використовують матеріали аерофототопографічних знімань. Знімання поверхні виконують спеціальними аерофотокамерами з повітряних літальних апаратів (мал. 7).

Зараз набуває розвитку наземно-космічне (наземно-супутникове) знімання, яке оперативніше, ефективніше та менш трудомістке порівняно з традиційними методами геодезичних робіт. Проведення таких знімань стало можливим завдяки вільному доступу до сигналів штучних супутників Землі, які належать до певної глобальної навігаційної супутникової системи (ГНСС).

Сьогодні основними супутниковими навігаційними системами є GPS (США), ГЛОНАСС (Росія), GALILEO (Євросоюз), BeiDou (Китай). Зараз кожна система має понад 20 супутників, і їхня кількість зростає. Супутники розташовані на висоті приблизно 20 тис. км від Землі.

Наземно-супутникове знімання виконується за допомогою спеціальних ГНСС-приймачів (англ. GNSS), які ловлять сигнали від супутників (мал. 8). Обробка сигналів забезпечує отримання координат пункту в польових умовах у потрібній системі координат із точністю менше ніж 1 м.

gps.gov, glonass-iac.ru/en/, galileognss.eu, en.beidou.gov.cn — сайти, що містять відомості про глобальні навігаційні супутникові системи.

ВИСНОВКИ

  • Форма Землі визначається гравітаційними силами.
  • Земля не є ідеальною сферою. Для опису фігури Землі вибирають еліпсоїд або геоїд.
  • Геодезія — наука про методи й техніку виконання вимірювань на земній поверхні.
  • Геодезичні вимірювання виконуються з метою вивчення фігури Землі, створення карт і планів та розв'язання різних прикладних завдань.
  • Залежно від розташування знімального обладнання знімання поділяються на наземні та дистанційні.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

  • 1. Яку форму має Земля? Якими є її особливості?
  • 2. Поясніть роль геодезії у створенні топографічних карт.
  • 3. Які практичні завдання можна вирішити за допомогою геодезичних вимірів?
  • 4. Яке призначення мають топографічні знімання місцевості?
  • 5. Поясніть, за рахунок чого стало можливим проведення наземно-супутникового знімання.