ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ОПОРНАЯ СЕТЬ

ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ОПОРНАЯ СЕТЬ. Все измерения при съёмках земель производятся с неизбежными погрешностями. Чтобы ослабить вредное влияние этих ошибок и не допустить чрезмерного их накопления в одной части территории, из всех точек земной поверхности выбирают наиболее характерные опорные точки, расположенные равномерно и определяемые с необходимой точностью. Совокупность опорных пунктов, закреплённых на земной поверхности и определённых геодезическими методами в к.-л. системе координат (см.), составляет Г. о. с. Она служит основой для геодезических съёмок и материалом для научно-геодезических выводов по изучению размеров и вида земли. Координаты точек земной поверхности (долгота и широта) м. б. определены также астрономически, причём широта получается из наблюдений по звёздам (редко по солнцу), а долгота - из сравнения хронометров по радио. Однако астрономический метод определения опорных точек при небольших расстояниях оказывается слишком грубым. Он применяется только в тех случаях, когда от опорной сети не требуется большой точности, когда она нужна, напр., для съёмок мелкого масштаба, при картографировании малоисследованных, необжитых р-нов или для землеустройства оленеводческих х-в в р-нах крайнего С. Для съёмок более крупных масштабов необходима большая точность в относительном расположении пунктов одной и той же системы.. Таким условиям удовлетворяют триангуляция и полигонометрия. Математически оба метода совершенно равноправны. При триангуляции воображаемые в горизонтальной проекции опорные точки мысленно соединяются в системы треугольников; в полигонометрии точки соединяются в сеть многоугольников. Определив только 1 сторону и все углы треугольников или все углы и все стороны многоугольников, в обоих случаях получим необходимые данные для построения и вычисления этих фигур. Практически на больших площадях триангуляция имеет нередко ряд преимуществ перед полигонометрией. Основное преимущество триангуляции в том, что, зная все углы треугольников и только 1 сторону, уже можно построить в уменьшенном виде сеть, подобную данной. Устроив на опорных точках высокие сигналы, можно измерение углов произвести над препятствиями местности (холмами, лесами, строениями и т. п.). В лесных и лесостепных р-нах система полигонометрических ходов строится быстрее и стоит дешевле триангуляции. Но полигонометрия не обеспечивает столь надёжного и удобного контроля, как триангуляция. Поэтому в СССР основным методом создания Г. о. с. служит триангуляция.

Триангуляция представляет сеть смежных треугольников (рис. 1), в к-рых измеряются все углы и 1 сторона; дл. остальных сторон вычисляются по правилам тригонометрии. Сторона 1 - 2 триангуляции, служащая исходной для вычислений, называется основной. Сторона об, измеряемая непосредственно, называется базисом. Точное измерение длинной основной стороны вызывает ряд практических затруднений. Поэтому обычно измеряют дл. короткого базиса, связанного с основной стороной, при помощи вспомогательной триангуляции, называемой базисной сетью. Наилучшей формой базисной сети считается геодезический четырёхугольник в виде ромба с 2 диагоналями и углами против базиса, не менее 34°. В этом четырёхугольнике с большой точностью измеряется малая диагональ - базис и все углы. По этим данным вычисляют основную сторону. В пунктах базисной сети производятся астрономические наблюдения широты и долготы, а также азимута направления на 1 из смежных пунктов. Затем, пользуясь этими определениями, по углам и вычисленным длинам сторон находят координаты всех вершин треугольника.

Триангуляции по своему назначению разделяются на неск. классов. В состав Г. о. с. входят триангуляции I, II и III классов, а также дополнительные пункты IV класса. Путём триангуляции I класса обеспечивается общая и точная связь всех геодезических и топографических работ в стране и создаётся опорная сеть для триангуляции II класса. Триангуляции I класса в СССР прокладываются рядами простых треугольников, геодезических четырёхугольников и центр. систем, расположенных по меридианам и параллелям на расстоянии ок. 200 - 250 км один от др.; при этом образуются в виде клеток замкнутые геодезические полигоны (рис. 2). Длина сторон треугольников I класса д. б. возможно больше, т. к. это уменьшает относительную ошибку в измерении стороны. В СССР длина сторон треугольников I класса изменяется от 15 до 60 км (в ср. 25 - 30 км). В горных р-нах стороны м. б. длиннее, а в юж. степных р-нах, во избежание постройки очень высоких сигналов, допускается уменьшение сторон. По форме треугольники триангуляции I класса близко подходят к равносторонним. В местах пересечения рядов I класса располагаются базисные сети 2 - 3 (рис. 2), где измеряются базисы. На обоих концах исходных сторон базисных сетей, или базисов, определяются астрономические широты, долготы и азимуты. Остающиеся внутри полигонов большие площади разбиваются на более мелкие прокладкой основных рядов триангуляции I класса (рис. 2). Триангуляция II класса является развитием триангуляции I класса и делится на основные ряды и заполняющие сети. Основные ряды треугольников II класса делят полигон I класса на 4 части. Пространства между рядами I и II класса заполняются второклассной сплошной сетью треугольников. Стороны треугольников основных рядов II класса устанавливаются от 10 до 35 км, в ср. 20 - 25 км, а заполняющих сетей - от 6 до 25 км, в ср. 13 км. В месте пересечения 2 основных рядов II класса измеряют базис и производят астрономическое определение азимута, долготы и широты на концах базиса. В малообжитых р-нах С. и северо-востока СССР и отчасти в Казахской ССР государственная Г. о. с. строится на основе триангуляции I класса, ряды к-рой отстоят друг от друга на 400 - 800 км и более и образуют замкнутые полигоны. Для пунктов триангуляции I и II классов, составляющих государственную Г. о. с, вычисляют географические координаты (широта и долг.), к-рые заносят в особые каталоги. Для получения большего числа опорных точек производят дальнейшее сгущение Г. о. с, путём построения сети III класса, проложенной между сторонами и пунктами триангуляции I и II классов, и вставки дополнительных пунктов IV класса. Дл. сторон треугольников III класса в ср. 8 км, но может колебаться в пределах от 4 до 15 км. Пункты IV класса определяются по пунктам высших классов способом засечек. В случае удалённости р-на съёмки от гос. триангуляции I и II классов производится самостоятельное развитие заполняющих сетей II, III и IV классов (т. н. свободные сети). Если площадь съёмки менее 500 км2, то могут строиться свободные сети III и IV классов (рис. 1); эти сети впоследствии привязываются к государственной Г. о. с. В самостоятельных сетях III класса измеряются базисы дл. от 2 до 3 км с наблюдением азимута (см.). С пунктов триангуляции III класса определяются засечками дополнительные пункты IV класса, чаще всего постоянные предметы местности (основание стержня громоотвода фабричной трубы, основание шпиля здания и т. п.).

Рис 1. Триангуляция III класса

Базисные измерения на триангуляции I и II классов в наст, время производятся инварными проволоками (инвар - сплав: б4%железа и36% никеля, обладающий наименьшим коэф-том расширения) или лентами с применением приборе Иедерина, раньше базисные намерения производились т. и. жезловыми базисными приборами. Измерение прибором Иедерина (рис. 3) идёт быстрее, и точность измерения получается не ниже, чем при работе жезловыми приборами. Измерения прибором Иедерина производят при помощи инварных проволок. Проволоки изготовляются б. ч. длиной в 24 м и диам. в 2 мм. Для измерения линии на концах проволоки имеются шкалы с миллиметровыми делениями. При измерении базиса проволоки натягиваются гирями, к-рые подвешиваются посредством стальных проволочек, перекинутых через подвижные блоки спец. станков (рис. 3). Кроме этого, к прибору Иедерина прилагается 10 штативов. Перед измерением линию базиса провешивают, расчищают и выравнивают. Вдоль измеряемой линии расставляют штативы на расстоянии, равном дл. проволоки. Расстояние между последним штативом и концом базиса, меньше 24 м и называемое остатком, измеряется короткими (8- или 4-М) инварными лентами. Обычно измерение базиса производится не одной, а неск. проволоками, и из всех измерений берут среднее арифметическое. Базисы малых триангуляций измеряются шкаловыми лентами с постоянным натяжением. Относительная случайная ошибка измерения базиса прибором Иедерина не менее 1 : 1000000. При базисных измерениях малых триангуляции шкаловыми лентами относительная случайная ошибка менее 1:50000 для стальных лент и 1:100000 - 1:200000 для инварных лент.

Рис. 2. Триангуляция I класса: 1 - треугольники замкнутых полигонов; 2 и 3 - базисная сеть

Рис. 3. Прибор Иедерина: 1 - штатив; 2 - конец проволоки со шкалой; 3 - целик; 4 - тренога с грузом для натяжения проволоки

Углы треугольников на триангуляциях I и II классов измеряются большими угломерными инструментами - 2-секундными и 5-секундными универсалами, а на триангуляциях низших классов- 10-секундными и 30-секундными теодолитами. Точность измерения углов этими инструментами устанавливается инструкциями по триангуляции. Качество угловых измерений м. б. охарактеризовано след. средними квадратическими ошибками: на триангуляции I класса 0,7 - 0,9"; II класса 1,2 - 1,5" (в основных рядах) и 2,0 - 2,5" (в заполняющей сети); III класса 4-5".

Полигонометрическая сеть прокладывается на местности или в дополнение к недостаточной по числу точек тригонометрической сети или же самостоятельно там, где развитие триангуляции невыгодно или затруднительно. В первом случае между пунктами триангуляции прокладывается на местности ряд ломаных линий (полигонометрический ход) (рис. 4); во втором -замкнутый полигон (многоугольник), внутри к-рого прокладывают полигонометрические ходы, соединяющие точки замкнутого полигона (рис. 5). В составе Г. о. с. различают 3 класса точной полигонометрии (I - III), соответствующие классам I - III триангуляции. Как правило, полигоны прокладываются в местах, удобных для непосредственного измерения линий (по улицам, дорогам, бечевникам и пр.). Длина сторон полигонометрических ходов изменяется от 50 м до 3 км, в отдельных случаях до 5 - 6 км. Стороны в полигонометрии измеряют непосредственно стальными или инварными лентами, проволоками (дл. в 50 - 100 м) или деревянными жезлами, реже определяют дальномером или находят вычислением из др. измерений. Полигонометрия, в к-рой стороны измеряются непосредственно приборами для линейных измерений, называется траверсной. Полигонометрию, основанную на косвенном определении сторон по короткому базису и острым (параллактическим) углам, измеренным с высокой точностью, называют параллактической. Если базис PQ (рис. 4) перпендикулярен к дл. стороны полигона ДЕ и делится ею пополам, то для определения дл. стороны полигона достаточно измерения базиса и острых параллактических углов и не требуется измерения углов на концах базиса. Разработанный на этом принципе метод точной полигонометрии со сторонами от 1 до 3 км и базисами от 24 до 72 м, измеряемыми инварными проволоками той же длины, носит название метода параллактической полигонометрии. Параллактическая полигонометрия успешно применяется в степных р-нах, где применение триангуляции встречает препятствия (дороговизна постройки сигналов и плохая видимость переносных знаков). Для измерения углов полигонов и параллактических углов наиболее применимы теодолиты со стеклянными лимбами (рис. 6), позволяющие отсчитывать секунды и даже доли секунд и снабжённые оптическими отвесами.

Рис. 4. Полигонометрический ход А, В, С, D, Е

Рис. 5. Замкнутый полигон

Для наземных съёмок и аэрофотосъёмок (см. Аэрофотогеодезия) прокладываются теодолитные ходы, выполняемые простейшими приёмами и приборами (теодолит, стальная 20-м лента). Теодолитные ходы примыкают к пунктам триангуляции или полигонометрии, а в случае отсутствия пунктов образуют замкнутые многоугольники (полигоны). Теодолитные ходы применяются в качестве опоры для различных видов топографической съёмки (мензульной, тахометрической, нивелирования поверхности лугов, болот и т. п.), при наземной подготовке местности для аэрофотосъёмки, при трассировке дорог, электролиний, каналов и т. п.

Все точки Г. о. с. должны быть на местности обозначены и закреплены. Пункты триангуляции закрепляются подземными центрами и обозначаются знаками - вехами, пирамидами, сигналами и т. п. (рис. 7 - 9). Знак должен иметь вые, обеспечивающую взаимную видимость со смежными пунктами, а луч зрения должен проходить над земными предметами (почвой, лесом и пр.) не ниже 5 м. Простая пирамида имеет выc. 6 - 10 м. При измерении углов инструмент обычно устанавливается непосредственно над центром на переносном штативе, ножки к-рого д. б. зарыты, в землю. Если при наблюдениях с земли не видно знаков, установленных на др. пунктах, то в данной точке строят двойные пирамиды выс. до 10 м. Если требуется поднять инструмент ещё выше, строят более высокие сигналы. Каждая опорная точка д. б. не только хорошо обозначена, но и основательно закреплена на местности посредством закладки т. н. подземных и надземных центров, окапываемых вокруг канавами (рис. 10 - 12). Постановлением СНК СССР от 14/V 1932 знаки триангуляции и их подземные центры признаются сооружениями гос. значения и находятся под особой охраной государства. Площадки, на к-рых находятся пункты триангуляции, считаются изъятыми из общего пользования. Кроме постоянных знаков в триангуляции II и низших классов, применяют также переносные знаки (лёгкие, металлические или деревянные, разборные простые и двойные пирамиды) выс. в 8 - 12 м. Такие знаки устанавливаются только на время наблюдений. В нек-рых случаях пункты IV класса обозначаются вехами дл. ок. 10 м (рис. 7). Для обозначения и закрепления точек полигонометрической сети применяются также различные способы, в зависимости от назначения, вида и точности сети. Для обозначения и закрепления точек полигонометрии, прокладываемой теодолитом и лентой, применяются различные способы: ставятся, напр., каменные или бетонные столбы с насечкой в виде креста (рис. 13), газовые трубы, рельсовые обрезы (рис. 14) и др., глубоко закладываемые в землю с бетонной подушкой и железным штырем внизу.

Рис. 6. Универсальный теодолит: 1 - закрепительный винт зрительной трубы; 2 - вертикальный круг; 3 - призма для освещения вертикального круга; 4 - правая лагерная подставка; 5 - левая лагерная подставка; 6 - кольцо для форсунки; 7 - кольцо для перемещения окуляра; 8 - призма для наблюдения уровня; 9 - микроскоп окуляр; 10 - уровень (для горизонтальной установки); 11 - коллимационный уровень (при вертикальном круге); 12 - подставка; 13 - высотный микрометренный винт; 14 - азимутальный микрометренный винт; 15 - микрометренный винт для регулирования коллимационного уровня; 16 - защитный колпачок; 17 - закрепительный винт горизонтального круга; 18 - треножник; 19 - подъёмный винт; 20 - винт для регулировки

Рис. 7. Веха: 1 - столб; 2 - центр

Все точки Г. о. с. должны быть определены также и по абсолютной выс. над уровнем океана. Числовые значения выс. точек земной поверхности называются альтитудами, или отметками. Основой для определения выс. точек местности служат нивелировки I, II, III и IV классов. Нивелирование I класса (высокой точности) принадлежит к числу точнейших геодезических работ. Нивелирование II класса имеет целью создание точной нивелирной сети для развития нивелировок III и IV классов, служащих для обеспечения надёжной передачи выс. при всякого рода съёмочных работах. Полевые работы начинаются с закладки марок, служащих для обозначения и закрепления опорных высотных точек (рис. 15). В центре марки имеется отверстие, для к-рого и определяется выс. над уровнем моря. Марки располагаются на расстоянии ок. 6 - 10 км друг от друга. Их закладывают исключительно в каменные сооружения (водонапорные башни, станционные здания, устои мостов, фундаменты построек и т. п.). Для надёжного закрепления отметок нивелирования высокой точности по всей территории страны закладываются т. н. вековые реперы, знаки, устраиваемые на геологически устойчивых породах материка в неизменном положении. В р-нах, где производятся нивелировки низших классов, устанавливаются стенные реперы (в цоколях каменных зданий, в устоях мостов и в др. каменных сооружениях) и грунтовые реперы - непосредственно в почве. Кроме постоянных, в случае необходимости, устанавливают временные реперы (напр., железные костыли в стене здания и пр.). Посредством нивелирования отметки передаются на все пункты Г. о. с. Материалы по Г. о. с. (описание местоположения знаков, результаты полевых измерений, вычисления, каталоги координат и отметок) передаются во Всесоюзное геодезическое справочное бюро для использования разными ведомствами, а также для целей общего картографирования страны и для научных целей по определению фигуры и размеров земли. Нивелирование I класса служит для разрешения различных научных вопросов (определение разности уровней морей, изучение вековых движений суши и др.). Современные нивелировки высокой точности характеризуются ср. случайной ошибкой на 1 км ± 1 мм и ср. систематической ошибкой ±0,2 мм.

Рис. 8. Пирамида: 1 - визирный цилиндр; 2 - наружный столб (верхний центр). Ров вокруг пирамиды не указан

В результате камеральной обработки полевых измерений д. б. получены для горизонтальной основы координаты точек, а для вертикальной - альтитуды. Для географических координат принята международная система. Альтитуды точек Г. о. с. определяются относительно уровня океана. Началом счёта альтитуд в СССР служит нуль кронштадтского футштока, представляющий ср. уровень воды в Финском заливе, выведенный из многолетних наблюдений. Нуль кронштадтского футштока связан с 3 группами вековых реперов, заложенных недалеко от станции Чудово Октябрьской ж. д. (под Ленинградом). Группы реперов расположены на расстоянии ок. 0,5 км одна от другой.

Рис. 9. Сложный сигнал: 1 - визирный цилиндр; 2 - столик; 3 - пол для наблюдателя; 4 - наружный столб (ров не указан)

Рис. 10. Центр знака на пунктах высших классов (основных рядов II класса): 1 - наружный столб; 2 - верхний центр; 3 - подушка; 4 - слой забутовки; 5 - нижний центр

Рис. 11. Центр знака на пунктах триангуляции III класса: I - наружный столб; 2 - верхний центр; 3 - слой забутовки; 4 - нижний центр

Рис 12. Центр знака на пунктах триангуляции IV класса: 1 - деревянный столб; 2 - центр; 3 - слой забутовки

Рис. 13. Бетонный столб

Г. о. с. имеет большое практическое значение при съёмках. Только при наличии Г. о. с. можно точно установить положение каждого съёмочного планшета на местности. По действующим инструкциям, каждый снимаемый планшет д. б. обеспечен на местности не менее чем 5 опорными пунктами. При наличии опорной сети орг-ция работ приобретает стройность, съёмка производится быстро и точно, сводка результатов отдельных съёмок в одно целое не вызывает затруднений. Каждый планшет гос. топографической съёмки д. б. снабжён не только горизонтальной Г. о. с, но и вертикальной, т. е. опорными точками по выс. Для многих инженерных и землеустроительных работ съёмки нередко производятся в крупных масштабах, напр., 1:5000, 1:1000 и даже 1:200. В таких случаях Г. о. с. должна быть достаточно густой. Для этого, исходя из точек триангуляции высших классов, целесообразно прокладывать детальные триангуляции. Между точками детальных триангуляции прокладывают полигонометрические ходы, пункты к-рых и служат опорными при съёмке. При такой постановке работ можно по материалам, полученным в результате съёмки, делать точные расчёты при проектировании зем. участков, регулировании рек, проездов в городах, при постройке шахт, туннелей и т. п. Советские геодезисты уже выполнили астрономо-геодезическую сеть I класса на значительной части территории СССР. Одновременно с проведением триангуляционных рядов I класса развивалась и главная высотная основа. Астрономо-геодезические работы доставляют надёжный материал не только для картографирования СССР в широком смысле слова, но и для решения научных вопросов о форме Земли. В этом заключается мировое значение астрономо-геодезической сети СССР.