Геотроника: новая жизнь древней науки (стр. 1 из 3)
ГЕОТРОНИКА: НОВАЯ ЖИЗНЬ ДРЕВНЕЙ НАУКИ
С самых древних времен, когда главными насущными потребностями людей были добывание пищи и защита от врагов, человеку приходилось постоянно перемещаться. А для этого необходимо хорошо ориентироваться на местности. Развитие торговли, походы и путешествия потребовали совершенствования пространственных представлений. Появляются примитивные картографические изображения и планы местности, помогающие людям определять свое местонахождение и намечать новые маршруты переходов. Развитие мореходства и эпоха великих географических открытий потребовали уже достаточно точных карт больших территорий, что было невозможно без проведения определенных измерений на местности. Наряду с этим накопление астрономических знаний, наблюдения небесных тел и осознание, что Земля - одна из планет Солнечной системы, поставили крайне важный для науки вопрос об определении формы и размеров Земли и изучении ее гравитационного поля, оказывающего сильное влияние на формирование фигуры нашей планеты.
Так родилась и стала интенсивно развиваться наука об измерении Земли - геодезия. Ее еще с прошлого века подразделяют на две части: "элементарную" геодезию(ее сейчас называют просто "геодезией"), имеющую дело с небольшими участками местности, которые можно считать плоскими, и высшую геодезию, изучающую Землю в целом или на достаточно больших территориях, где кривизна ее поверхности играет существенную роль.
Современная геодезия решает множество задач. Прежде всего, очевидна ее роль в создании карт больших и малых территорий (соответственно географических и топографических). Но не только: геодезия совместно с астрономией, гравиметрией (наукой об измерении ускорения силы тяжести), геофизикой, геодинамикой и другими науками о Земле позволяет определять геометрические и геофизические параметры планеты, находить вариации скорости ее вращения, учитывать движение полюсов, изучать деформации земной коры, осуществлять прецизионный контроль инженерных сооружений. В отдельные дисциплины выделились морская геодезия, прикладная геодезия, космическая (спутниковая) геодезия. Но при всем разнообразии решаемых задач и областей применения собственно геодезические измерения сводятся к определению всего трех геометрических величин: расстояний, углов и превышений (разностей высот точек). Эти величины могут быть полезны и сами по себе, особенно в прикладной геодезии (на стройплощадках, при разметке местности), но, главное, они позволяют вычислить координаты определяемых точек. Координаты - вот что интересует чаще всего; они нужны и морякам, и авиаторам, и военным, и участникам экспедиций, и строителям.
Существует довольно много различных систем координат. На плоскости используют известные еще из школьной математики прямолинейные прямоугольные (декартовы) и полярные координаты, а также криволинейные координаты, когда определяемая точка получается в пересечении, например, двух окружностей (круговые координаты) или двух гипербол (гиперболические координаты). В трехмерном случае применяют различные системы пространственных координат, например геоцентрическую (с началом в центре масс Земли) прямоугольную систему координат, наиболее перспективную сейчас в геодезии.
Измерения производятся на физической поверхности Земли, которую невозможно описать никакими математическими формулами. Поэтому все измерения редуцируют (приводят) на некую поверхность "правильной" формы, которая может быть описана уравнениями математики и в среднем достаточно хорошо соответствует фигуре Земли. Такой поверхностью служит поверхность эллипсоида или, в более грубом приближении, - шара. На этих поверхностях применяются криволинейные координаты, известные всем широта и долгота. Но любая карта - поверхность плоская, и возникает задача изображения криволинейной поверхности на плоскости. При этом неизбежны искажения, так как сферическую поверхность нельзя развернуть на плоскость без разрывов и складок. Этой проблемой занимается математическая картография,в которой разработано множество проекций -- способов переноса изображений на плоскость с минимальными искажениями. Очень часто применяются цилиндрические проекции, при которых земной шар вписывается в цилиндр, касающийся шара по экватору. Сетка географических координат (меридианов и параллелей) проектируется на поверхность цилиндра в виде взаимно перпендикулярных прямых линий, а цилиндр разрезается по вертикали и разворачивается в плоскость. Одна из таких проекций - конформная (равноугольная) проекция Меркатора - часто применяется как для навигационных, так и для мировых карт, физических и политических. Для крупномасштабных топографических карт в нашей стране используют, как правило, так называемую проекцию Гаусса-Крюгера, относящуюся также к группе цилиндрических проекций.
Но вернемся к координатам, которые можно получить на карте в виде плоских прямоугольных координат х, у (третью координату указывают в виде высоты Н над некоторой "исходной" поверхностью, например над уровнем моря). Но для этого необходимо провести целый комплекс измерений расстояний, углов и высот.
Современный электронный теодолит измеряет углы с точностью до 1,5 угловой секунды.
Если мысленно вернуться хотя бы на полвека назад, обнаружится следующая картина. Геодезисты последовательно укладывают на местности вдоль измеряемой линии стальные 20-метровые ленты, а при точных измерениях - подвешивают на опорах 24-метровые проволоки из инвара - сплава, очень слабо подверженного термическому расширению. Это исключительно трудоемкая работа! Для быстрых измерений применяются оптические дальномеры, основанные на использовании чисто геометрического принципа - решения сильно вытянутого треугольника с небольшим основанием (базой). Их точность не превышает одной тысячной от измеряемой длины, а дальность действия - нескольких сотен метров.
Угловые измерения производят при помощи теодолитов - оптико-механических приборов, основной частью которых служит зрительная труба, снабженная горизонтальным и вертикальным угломерными кругами с отсчетными приспособлениями.
Наконец, для определения превышений служат нивелиры, представляющие собой зрительную трубу с точным пузырьковым уровнем, позволяющим приводить визирную ось трубы в строго горизонтальное положение. Выполнив такое приведение, наблюдатель берет отсчеты по двум вертикальным рейкам с делениями, установленным на точках, разность высот которых надо определить. Это так называемое геометрическое нивелирование, наиболее точное. Существует еще тригонометрическое нивелирование, выполняемое не горизонтальным, а наклонным лучом при помощи теодолита; в этом случае определяется превышение наблюдаемой точки над точкой стояния инструмента по углу наклона и горизонтальному расстоянию, измеренному отдельным дальномером. Теодолиты, способные работать в таком режиме, получили название тахеометров (приборов для быстрой съемки).
Было также множество других геодезических инструментов с изящными и остроумными усовершенствованиями. Но все инструменты того времени - исключительно оптико-механические устройства.
Такая ситуация сохранялась примерно до середины 50-х годов XX столетия. А дальше наступил период, который можно смело назвать революцией в геодезическом приборостроении: в геодезию пришла электроника.
Лазерный нивелир с вращающейся призмой
Она начала свое триумфальное шествие в геодезии с линейных измерений, затем проникла в угловые измерения, а в последнее время и в наиболее консервативную область - нивелирование. Огромную роль сыграло появление в 1960 году лазеров, развитие микроэлектроники, а впоследствии - компьютерной техники и спутниковых технологий. Совокупность основанных на этих достижениях новых методов и средств геодезических измерений и составляет существо того, что в последнее время обозначают словом "геотроника" (ранее использовался менее удачный термин "радиогеодезия"). Геотроника - это сочетание слов "геодезия" и "электроника", отражающее тот факт, что сейчас вся измерительная геодезическая техника практически основана на электронике в широком смысле этого слова. Что же представляет собой геотроника в настоящее время?
Лазерный нивелир с электронным устройством на рейке
Прежде всего, для измерения расстояний вместо мерных лент и проволок сегодня используются электромагнитные волны. Это сократило время собственно измерений (без затрат времени на установку приборов) буквально до нескольких секунд (вместо дней и недель!), причем независимо от длины измеряемой линии. Здесь есть два основных подхода. Первый из них заключается в том, что расстояние между, скажем, пунктами А и В можно получить, измерив время распространения электромагнитных волн между ними и умножив его на скорость света (при этом учитывается показатель преломления воздуха, рассчитанный по измерениям температуры, давления и влажности). Этот метод особенно удобен при использовании коротких импульсов излучения. Излучаемый импульс разделяется на две части, одна из которых запускает электронный счетчик времени, а другая - проходит расстояние до пункта измерения, где установлен отражатель, возвращается и останавливает счетчик.