Инженерная геодезия

В. В. Магуськин








                ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДЕЗИЯ









Рекомендовано Федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки «Техника и технологии строительства» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов образовательных организаций высшего образования, обучающихся по направлениям подготовки (специальностям): 08.03.01 «Строительство» — уровень высшего образования — бакалавриат (направленность - Промышленное и гражданское строительство);
08.04.01 «Строительство» - уровень высшего образования - магистратура (направленность — Промышленное и гражданское строительство: технология и организация строительства); 08.05.01 «Строительство» — уровень высшего образования - специалитет (направленность - Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений)












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 528
ББК 26.12
    М12


Рецензенты:
д. т. н., профессор, профессор кафедры строительных технологий, геотехники и экономики строительства строительного факультета ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова»
С. В. Сергеев;
к. п. н., доцент, заведующий кафедрой строительного производства Чебоксарского института (филиала) ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет»
И. В. Петрова



    Магуськин, В. В.
М12       Инженерная геодезия : учебное пособие / В. В. Магуськин. -
    Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 304 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1321-3

          Приведены основы инженерной геодезии и топографии. Дано описание геодезических приборов, их устройства. Рассмотрены методы геодезических измерений, вычислений и оценки точности их результатов, инженерно-геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, а также общие вопросы по спутниковым навигационным системам.
          Для студентов строительных специальностей. Может быть полезно инженерам и производственникам, выполняющим инженерно-геодезические работы.

                                                             УДК 528
                                                             ББК 26.12









ISBN 978-5-9729-1321-3

     © Магуськин В. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Целью подготовки студентов строительных специальностей по дисциплине «Инженерная геодезия» является овладение современными геодезическими приборами и методами выполнения геодезических работ при изысканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений.
     Для этого они изучают основы инженерной геодезии и топографии, необходимые инженеру как для разработки различных проектов, так и для строительства и эксплуатации зданий и сооружений.
     Инженеры строительных специальностей должны:
     -       иметь представление о форме и размерах Земли, системах координат и высот, геодезических опорных сетях, современных тенденциях развития геодезических приборов и методов измерений, об их применении при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений;
     -       знать устройство геодезических приборов и методы выполнения геодезических работ при изысканиях, строительстве и эксплуатации сооружений;
     -       уметь пользоваться картами, планами и цифровыми моделями местности для решения инженерных задач, выполнять измерения геодезическими приборами, их математическую обработку, подготовку данных для выноса проекта в натуру и разбивочные работы сооружений.
     Сборник лекций составлен на основе учебной [1-7] и справочной [8-12] литературы и состоит из 19 лекций, в которых излагаются только основные разделы инженерной геодезии. Издание предназначено для самостоятельной работы студентов младших курсов строительных специальностей.

3

            Лекция № 1


            ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОДЕЗИИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧЕК НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ



        План лекции


     1.1. Предмет геодезии и её связь с другими науками.
     1.2. Краткий исторический очерк развития российской геодезии.
     1.3. Задачи инженерной геодезии.
     1.4. Понятие о форме и размерах Земли.
       1.4.1. Общие положения.
       1.4.2. Математическая поверхность Земли.
       1.4.3. Физическая поверхность Земли.
     1.5. Проектирование земной поверхности. Системы координат.
       1.5.1. Общие положения.
       1.5.2. Геодезические координаты.
       1.5.3. Астрономические координаты (для геодезии).
       1.5.4. Географические координаты.
       1.5.5. Плоские прямоугольные геодезические координаты (зональные).
       1.5.6. Полярные координаты.
       1.5.7. Системы высот.

        1.1. Предмет геодезии и её связь с другими науками

     Геодезия - слово греческого происхождения, образовано из двух греческих слов ge (гео) земля и daizo (дайдзо) разделяю, что в переводе в целом означает землеразделение. Такое буквальное определение геодезии говорит только лишь о том, что она является одной из древнейших наук о Земле. Возникла эта наука с началом земледелия. В процессе исторического развития содержание каждой науки непрерывно меняется, в связи с чем неизбежен разрыв между названием науки и её содержанием. Так, например, геометрия буквально определяется как землеизмерение. Однако в наше время измерения на Земле не являются предметом геометрии. Данной проблемой занимается геодезия - наука об измерениях на земной поверхности и в околоземном пространстве, а также о вычислениях и графических построениях, проводимых:
     -  для определения фигуры и размеров Земли как планеты в целом;
     -  исследования движения земной коры;
     -       изображения земной поверхности и отдельных её частей в виде планов, карт и профилей (вертикальных разрезов);


4

     -       решения разнообразных научных и практических задач по созданию и эксплуатации искусственных сооружений на земной поверхности и в околоземном пространстве;
     -       создания геодезических опорных сетей как основы для выполнения вышеперечисленных задач.
     Таким образом, предметом геодезии является геометрическое изучение физической поверхности Земли и происходящих с ней изменений.
     Поверхность Земли (рис. 1.1) характеризуется многообразием форм. На ней находятся всевозможные объекты естественного и искусственного происхождения, геометрическое моделирование которых имеет для человека исключительно важное значение.


Рис. 1.1. Физическая поверхность Земли

      Проектирование, строительство и эксплуатация инженерных сооружений, планировка, озеленение и благоустройство населенных мест, изучение и добыча полезных ископаемых, сельскохозяйственное и лесное производство, обеспечение обороноспособности государств - во всех этих и многих других сферах жизнедеятельности человека приходится решать задачи геометрического характера, связанные с поверхностью Земли. Их решение основывается

5

на методе измерения различных величин. Данный метод является неотъемлемой частью геодезии.
     В геодезии широко используют достижения астрономии, физики, математики, механики, электроники, геоморфологии и других наук.
     Астрономия, изучающая Землю как одно из небесных тел, влияющих на движение других небесных тел, обеспечивает геодезию необходимыми исходными данными.
     Для производства измерений на земной поверхности используют различные приборы и инструменты, в создании которых применяют научные достижения физики, химии, механики, оптики, электроники и других наук.
     При измерении различных величин практически невозможно получить их истинное значение. В связи с этим возникает необходимость определения их вероятнейшего значения, т. е. наиболее близкого к истинному. С этой целью в геодезии применяется математическая обработка результатов измерений, в которой используются достижения высшей математики, вычислительной техники, математической статистики, теории вероятностей, теории ошибок, теории информации.
     Для оформления результатов измерений и вычислений в геодезии применяется метод графического представления данных. Для его использования необходимо знание приёмов топографического черчения. С помощью данного метода составляются чертежи, являющиеся продуктом производства геодезических работ и характеризующиеся сложной символикой, большой точностью и высоким качеством исполнения.
     Тесную связь геодезия имеет также с географией, геологией и геоморфологией.
     География изучает окружающие человеческое общество природные условия, размещения производства и условия его развития. Знание географии обеспечивает правильную трактовку элементов ландшафта, который включает в себя: рельеф, естественный покров земной поверхности (растительность, почвы, моря, озера, реки и т. д.) и результаты деятельности человека (населенные пункты, дороги, средства связи, предприятия и т. д.).
     Геология изучает строение, минеральный состав и развитие Земли.
     Геоморфология - рельеф земной поверхности и закономерности его изменения.
     Применение фотоснимков в геодезии требует знания фотографии.
     В настоящее время в связи с широким использованием цифрового и электронного картографирования, геоинформационных и глобальных навигационных систем, дистанционного зондирования Земли аэрокосмическими средствами всё большее значение для геодезии приобретают достижения информатики, автоматики и электроники.
     В процессе своего развития геодезия разделилась на ряд научных дисциплин: высшую геодезию, топографию, инженерную геодезию, картографию, фотограмметрию, радиогеодезию, космическую геодезию, геодезическое инструментоведение и др.

6

     Высшая геодезия изучает форму и размеры Земли, движение её коры и определяет:
     -  вид и размеры Земли (как планеты);
     -       внешнее гравитационное поле Земли (значение и направление силы тяжести в земном пространстве и на поверхности);
     -       взаимное расположение значительно удалённых друг от друга геодезических пунктов;
     -       точность изображения пунктов на плоскости в проекции с учётом искажений из-за кривизны земной поверхности.
     Топография изучает методы изображения участков земной поверхности по материалам съёмочных работ и создания на их основе топографических карт и планов.
     Инженерная геодезия изучает методы и способы геодезического обеспечения при разработке проектов, строительстве и эксплуатации разнообразных сооружений, а также при освоении и охране природных ресурсов.
     Космическая геодезия рассматривает теорию и методы решения научных и практических задач на земной поверхности по наблюдениям небесных тел (Луна, Солнце, ИСЗ) и по наблюдениям Земли из космоса. Космическая геодезия включает в себя глобальные навигационные системы, являющиеся основой применяемых в настоящее время координатных систем, и системы космического дистанционного зондирования многоцелевого назначения, используемые для мониторинга поверхности Земли.
     Предметом изучения картографии являются методы и способы отображения поверхности Земли и протекающих на ней процессов в виде различных образно-знаковых моделей, в том числе цифровых и электронных карт.
     Фотограмметрия решает задачи измерений по аэрофото- и космическим снимкам для различных целей: создания карт и планов, проектирования и строительства сооружений, обмеров и определения площадей застроек, лесных массивов и т. п.

        1.2. Краткий исторический очерк развития российской геодезии

     Геодезия как наука формировалась и развивалась тысячелетиями. Древние памятники, возведенные в Египте и Китае, свидетельствуют о том, что человечество имело представление об измерениях на поверхности земли за много веков до нашей эры. Приёмы измерения на земной поверхности были известны и в древней Греции, где они получили теоретическое обоснование и положили начало геометрии. Геодезия и геометрия долго взаимно дополняли и развивали одна другую.
     В России первые геодезические работы, зафиксированные документально, выполнялись в XI веке при измерении князем Глебом ширины Керченского пролива между Керчью и Таманью. Начало картографии было положено составлением в XI веке карты всего Московского государства.

7

     Интенсивное развитие геодезии в России связано с именем Петра I. В 1745 г. был издан «Первый атлас России», созданный по материалам планомерной инструментальной топографической съёмки всего государства, начатой по указу Петра I в 1720 г. Первые в России астрономо-геодезические и картографические работы возглавил И. К. Кирилов.
     В 1779 г. по указу Екатерины II была открыта землемерная школа, которая в 1819 г. была преобразована в Константиновское землемерное училище, а в 1835 г. - в Константиновский межевой институт, ныне - крупное высшее учебное заведение по подготовке геодезистов и картографов МИИГАиК -Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии. В 1809 г. в Санкт-Петербурге был учрежден институт Корпуса инженеров путей сообщения, в 1822 г. - корпус военных топографов, выполнявший впоследствии большую часть топографо-геодезических работ в стране. 28 февраля 1933 г. в Омске постановлением правительства был создан Сибирский астрономо-геодезический институт. Эта дата считается началом официального рождения вуза - Сибирского государственного университета геосистем и технологий (СГУГиТ), в 1934 г. Сибирский астрономо-геодезический институт был переведён в Новосибирск на правах геодезического факультета Новосибирского инженерно-строительного института. Осенью 1939 г. на базе этого факультета был создан Новосибирский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии. В 90-е годы прошлого столетия вуз изменил статус и получил название Сибирская государственная геодезическая академия (СГГА). 8 декабря 2014 г. вышел приказ Минобрнауки РФ о переименовании ФГБОУ ВПО «СГГА» в Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (СГУГиТ).
     В 1816 г. под руководством русского военного геодезиста К. И. Теннера и астронома В. Я. Струве в западных пограничных губерниях России были начаты большие астрономо-геодезические работы, которые в 1855 г. завершились градусным измерением огромной (более 25° по широте) дуги меридиана, простирающейся по меридиану 30° от устья Дуная до берегов Северного Ледовитого океана.
     На развитие геодезии в России большое влияние оказали начавшиеся в XIX веке изыскания и строительство железных дорог. На Кавказе были выполнены первые опытные наземные фотосъемки, а в 1898 г. инженер П. И. Шуров применил её при изысканиях линии, соединяющей Маньчжурскую и Забайкальскую железные дороги. Инженер Р. Ю. Тилле впервые выдвинул идею применения аэрофотосъемки при железнодорожных изысканиях. В 1908-1909 гг. он опубликовал трехтомный труд «Фотография в современном развитии», сыгравший огромную роль в развитии аэрофотосъемки в России.
     В 1928 г. советский геодезист Ф. Н. Красовский разработал стройную и научно обоснованную схему и программу построения опорной геодезической сети, предусматривающую создание астрономо-геодезической сети на всей территории СССР. В ходе построения этой сети были усовершенствованы

8

теория, методы и инструменты астрономических определений и геодезических измерений.
     В 1940 г. Ф. Н. Красовский и А. А. Изотов определили новые размеры земного эллипсоида, которые по настоящее время используются для картографо-геодезических работ в России и ряде других стран.

        1.3. Задачи инженерной геодезии

     Основными задачами инженерной геодезии при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных сооружений являются:
     -       получение геодезических данных (геодезические измерения) при разработке проектов строительства сооружений (инженерно-геодезические изыскания);
     -       определение на местности основных осей и границ сооружений в соответствии с проектом строительства (разбивочные работы);
     -       обеспечение в процессе строительства геометрических форм и размеров элементов сооружения в соответствии с его проектом, геометрических условий установки и наладки технологического оборудования;
     -       определение отклонений геометрической формы и размеров возведенного сооружения от проектных (исполнительные съемки);
     -       изучение деформаций (смещений) земной поверхности под сооружением, самого сооружения или его частей под воздействием природных факторов и в результате действий человека.
     Инженерно-геодезические изыскания проводят для создания карт, планов, цифровых моделей местности, на которых по результатам наземных и аэрокосмических съемок изображают то, что находится на местности. Созданную топографо-геодезическую основу используют для проектирования сооружения - разработки его проекта.
     При строительстве с помощью геодезических измерений выполняют обратное геометрическое преобразование - переносят проект сооружения на местность, т. е. определяют на местности то место, где сооружение должно располагаться по проекту. Данный процесс называют геодезическим сопровождением строительства.
     Для разных видов сооружений применяют различные требования к точности геодезического сопровождения. Точность выполнения работ при установке конструкций здания на предусмотренные проектом места должна быть в пределах 5... 10 мм, деталей заводского конвейера - 1...2 мм, оборудования физических лабораторий для ускорителей ядерных частиц - 0,2...0,5 мм.
     По окончании строительства объекта и в период его эксплуатации возникает задача периодического контроля за состоянием возведенного сооружения, называемая мониторингом состояния сооружения. Данный мониторинг выполняется специализированными изыскательскими и геодезическими организациями как наземными, так и аэрокосмическими методами.
     По виду выполняемых работ инженерная геодезия подразделяется на наземную, подземную (маркшейдерское дело), воздушную и подводную.

9

        1.4. Понятие о форме и размерах Земли

1.4.1. Общие положения


     В геодезии для обозначения формы земной поверхности используют термин «фигура Земли».
     Знание фигуры и размеров Земли необходимо во многих областях и, прежде всего, для определения положения объектов на земной поверхности и правильного её изображения в виде карт, планов и цифровых моделей местности.
     Физическая поверхность Земли состоит из подводной (70,8 %) и надводной (29,2 %) частей. Подводная поверхность включает в себя систему срединно-океанических хребтов, подводные вулканы, океанические желоба, подводные каньоны, океанические плато и абиссальные равнины. Надводная часть земной поверхности также характеризуется многообразием форм. С течением времени поверхность Земли из-за тектонических процессов и эрозии постоянно изменяется.
     Представление о фигуре Земли (рис. 1.2) в целом можно получить, вообразив, что вся планета ограничена мысленно продолженной поверхностью океанов в спокойном состоянии.


Рис. 1.2. Фигура Земли (вид из космоса)

     Уровенных поверхностей, огибающих Землю, можно вообразить множество. Та из них, что совпадает со средним уровнем воды океанов в спокойном состоянии, т. е. в момент полного равновесия всей массы находящейся в ней воды под влиянием силы тяжести, называется основной уровенной поверхностью Земли.
     В геодезии, как и в любой другой науке, одним из основополагающих принципов является принцип перехода от общего к частному. Исходя из него, для решения научных и инженерных задач по изучению физической поверхности Земли, а также других геодезических задач, сначала необходимо определиться с математической моделью поверхности Земли.
     Что принимается за математическую поверхность Земли? Что является фигурой Земли? Какие у неё размеры?
     Ответы на эти вопросы рассмотрим далее.

10