. Геодезия и геометрия долго взаимно дополняли и развивали друг друга. Развитию и совершенствованию методов геодезических работ способствовали научные достижения в области математики, физики, инструментальной техники.
Во все времена истории человечества задача по определению фигуры Земли представляла сложную научно-техническую проблему, привлекала передовые умы человечества и ее решение требовало использования самых передовых технологий. Мысль о шарообразности Земли высказал древнегреческий философ Пифагор Самосский. В его учении утверждалось, что Земля имеет шарообразную форму и вращается вокруг своей оси, вызывая видимое суточное движение звезд, и обращается вокруг Солнца в течение года. По существу, была выдвинута идея гелиоцентрической системы мира, научно обоснованную Коперником через две тысячи лет.
Проблемой определения формы и размеров Земли занимались такие древнегреческие философы и ученые как Аристотель, Архимед, Эратосфен и другие. В дальнейшем работы по определению форм и размеров Земли были выполнены арабскими и туркестанскими учеными такими как Халиб ибн Абдул Малик, Али ибн Муса, Бируни и другими. Так, философ, астроном и геодезист Бируни из Туркестана в 1023 г. определил радиус земного шара из наблюдений понижения горизонта. По Бируни длина одноградусной дуги меридиана на широте 320 с.ш. равна 110,278 км (по современным данным - 110,895 км). Исследования арабских и туркестанских ученых завершают первый период становления геодезии как самостоятельной науки о Земле, занимающейся изучением её фигуры и измерениями на её поверхности.
Начало второго периода в развитии геодезической науки относится к эпохе великих научных и географических открытий. В этот период свои открытия совершили Колумб, Васко да Гама, Магеллан, Кук, Беринг.
В геодезии в это же время происходит ряд замечательных открытий. Так в 1609 г. Галилеем изобретена зрительная труба Нидерландский астроном и математик Снелиус в 1614 году разработал метод триангуляции, который был впервые применен французским астрономом Пикаром при измерении дуги меридиана от Парижа до Амьена. Пикар впервые использовал приборы с сеткой нитей.
В 1687 году вышел монументальный труд Ньютона - гениального английского математика, механика, астронома и физика «Математические начала натуральной философии», в котором на основании открытого им закона всемирного тяготения доказывается наличие полярного сжатия Земли. Ньютон не только установил сплюснулось фигуры Земли по оси вращения, но и теоретически определил величину её полярного сжатия.
Третий период развития геодезии (18 - 19 века) характеризуется тем, что основной научной задачей геодезии становится определение размеров земного эллипсоида. В течение этого времени получили начало такие науки как гравиметрия, геофизика. В это же время ученые - геодезисты пришли к выводу, что сглаженная до уровня Мирового океана фигура Земли не является простой геометрической фигурой, т.е. возникло понятие геоида.
К началу 19 века были накоплены значительные материалы геодезических и астрономических наблюдений. В связи с этим возникла проблема совместной обработки материалов обработки. Метод решения этой проблемы был предложен независимо немецким математиком, астрономом и геодезистом К.Ф.Гауссом и известным французским математиком Лежандром. Этот метод, названный методом наименьших квадратов, находит широкое применение при обработке геодезических сетей. В России метод наименьших квадратов в геодезии и астрономии на практике применили известные российские астрономы и геодезисты Струве, Шуберт, Померанцев, Цингер, Певцов, Гедеонов и другие.
Четвертый период (конец 19 - вторая половина 20 века) ознаменовалась основополагающими работами известного советского ученого - геодезиста Молоденского, который доказал невозможность точного определения фигуры геоида только по измерениям на земной поверхности и разработал теорию и методы определения фигуры физической поверхности Земли.
Начало современного периода развития геодезии совпадает с запуском первых искусственных спутников Земли (ИСЗ). Появление ИСЗ открыло новые возможности для решения научных и практических задач геодезии. Ярким примером тому служит появление систем глобального позиционирования (GPS).
Наряду с научными задачами геодезия решает целый комплекс практических задач. К таким задачам относятся создание геодезических сетей для обеспечения топографических съёмок, применение геодезических методов при строительстве сооружений, дорог и других объектов, проведении подземных работ в шахтах, тоннелях, метрополитене (маркшейдерские работы), проведение работ по землеустройству (кадастровые съёмки), наблюдение за деформацией и осадкой зданий и сооружений и т.д.
Велика роль геодезии в деле обороны страны и обеспечении боевых действий, т.к. невозможно эффективное использование современного высокоточного оружия (в том числе стратегических ракет) без точного геодезического и гравиметрического обеспечения.
2.1 Древний Египет
Примерно 6 000 лет назад в Египте зарождается земледелие. Разливы Нила, с одной стороны приносили стране плодородие, с другой - грозили наводнениями, поэтому именно ирригационное земледелие стало основой древнеегипетского хозяйства. Долина Нила была разделена продольными и поперечными дамбами на бассейны различной площади. Ежегодные разливы реки меняли поверхность, размывая границы земельных участков, снося межевые знаки, восстановить которые без помощи знающего геометра было невозможно.
В 4-м тысячелетии до н.э. в городах-государствах Египта строятся новые оросительные каналы и водозащитные дамбы, проводятся работы по определению земельных площадей, разбиваются площадки под строительство дворцов, многочисленных храмов и пирамид - все это способствует развитию геодезии в Древнем Египте.
В специальных школах особо одаренным ученикам давали знания в области геодезии и географии. Ученик должен был уметь измерить площадь поля, составить схему канала, начертить план здания, вычислить размеры и объёмы пруда, различных фигур, в т.ч. и объём полушария. Выпускники школ умели размежевать земельные участки, устанавливать пограничные стелы на границах полей, вести кадастр, рассчитывать ставки налогов, сооружать каналы, дамбы и здания, прокладывать дороги. В общеобразовательный минимум выпускников входили даже сведения, необходимые архитектору.
Геодезические приборы того времени элементарны: мерные жезлы, мерный шнур (веревка), отвесы, линейка, циркуль. Для нивелирования применяли ватерпас - прибор в форме буквы А с отвесом при вершине и меткой на перекладине для регистрации отвесной линии.
От планов земельных участков и зданий египтяне переходят к составлению географических карт. На египетском папирусе, возраст которого 3 800 лет, содержатся правила производства съёмки местности.
Египетские картографы при составлении карт использовали сведения, получаемые от купцов, посещавших дальние края. От военачальников, ведущих непрерывные войны с соседними государствами, поступали сведения о населении, естественных богатствах этих стран, природных условиях.
В Туринском музее хранится карта на папирусе времен Рамсеса II (1 300 лет до н.э.), где изображены золотоносные области на территории Нубии. Карта выполнена в 5-ти красках.
Первые кадастровые съёмки были осуществлены египтянами около 3 000 лет до н.э. в целях установления границ разрабатываемых участков, их площадей, а также регистрации имен их владельцев.
Возведение пирамид невозможно представить без разбивочных геодезических работ. Пирамиды тянутся к югу от Каира на 60 км по границе песков Ливийской пустыни и долины Нила. Всего там находится 80 пирамид разной высоты и степени сохранности. Пирамида Хеопса хорошо ориентирована по странам света, максимальная ошибка составляет всего 5,5 минут. Повторные обмеры многих египетских пирамид позволили установить, что точность линейных измерений при их разбивке характеризуется относительной ошибкой 1:3 000, угловых - ошибкой 2-4 минуты, измерения превышений - 3-5 мм. Египтяне могли с высокой точностью измерять и откладывать на местности значительные длины - до 15 км.
2.2 Древняя Греция
Практические приемы измерения Земли получили первое теоретическое обоснование в Греции и положили начало геометрии.
Геронт Александрийский (I век н.э.) в сочинении «О диоптре» излагает правила земельной съёмки, описывает диоптру - прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Диоптра Геронта применялась при сооружении зданий, каналов, при измерениях неприступных расстояний. В сочинении «Метрика» Геронт приводит формулы и правила для расчета различных геометрических фигур. Работы Геронта как практические пособия по геодезии прослеживаются в Европе до XVI века.
Первые карты мира появились у греков в VI в. до н.э. в виде схематических рисунков.
Известный философ Платон ученик Сократа и учитель Аристотеля, представлял землю в виде куба, но идея о шарообразности Земли уже завоёвывала господство. Эту идею признавал Пифагор и его школа (VI в. до н.э.), но закрепил её главенство Аристотель.
Походы Александра Македонского познакомили греков с новыми странами и обогатили уже имевшиеся сведения о Земле. Армию Македонского сопровождали специалисты (бематисты - геодезисты), которые составляли описания маршрутов и карты захваченных территорий.
Ученик Аристотеля Дикеарх Мессинский составил несколько карт мира, положив начало построению картографических проекций. На его картах имеется «диафрагма» - линия, проходящая через Средиземное море от Геркулесовых столбов через о. Родос до восточных окраин Азии; перпендикулярные к ней линии соответствуют современным меридианам. Отсюда появляются названия «долгота» и «широта».
Астроном Аристарх Самосский первым высказал идею гелиоцентризма, утверждая, что Земля совершает оборот вокруг своей оси в течение суток и в течение года - вокруг Солнца; все планеты также вращаются вокруг Солнца. Эту идею позднее отстаивал Николай Коперник. Но взгляды Аристарха оказались слишком смелыми для того времени и не были приняты ученым миром.
Живший в Александрии, основанной А.Македонским, Эратосфен сумел измерить Землю по меридиану (39690 км), что примерно соответствует современным измерениям (40 000).
Значительные познания в области астрономии, геодезии и географии, позволили ему создать карту Земли, с сетью меридианов и параллелей, которая служила до конца I в.н.э., незначительно меняясь в деталях. Однако географическая сетка Эратосфена не имела в основе научных принципов. Их заложил Гиппарх Никейский - величайший астроном древности. Он первым начал определять местоположение пунктов земной поверхности по астрономическим наблюдениям, ввел географические координаты: назвал расстояние от экватора к полюсам до данного пункта широтой, а расстояние к востоку или к западу от начального меридиана - долготой. Именно Гиппарх окончательно построил геоцентрическую систему мира и все ученые согласились с тем, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли. Позднее эта система была названа системой Птолемея.
Велико значение работ Клавдия Птолемея для практического определения географических координат из астрономических наблюдений. Он ввел термин «топография» для обозначения рельефа, улучшил карту Земли, правильно применил географическую сетку. Карта Птолемея в течение нескольких веков являлась стимулом развития геодезии и картографии - у арабов и в Европе в эпоху Возрождения геодезии. Птолемей создал «Мегале Синтаксис» («Великое сочинение») в 13-ти томах - дело всей его жизни - в которой разработал систему мира с Землей в центре Вселенной. Птолемей считался непогрешимым авторитетом, и его геоцентрическая система мира, поддерживаемая церковью, просуществовала до открытия Николая Коперника. Птолемей заканчивает период научных идей и открытий в древний период. Далее, вплоть до эпохи Возрождения геодезии, геодезия едва сохраняет достижения греков, часто приходя в полный упадок.
2.3 Средние века
Период с VI по XV века считается черными страницами в истории человечества. Войны стали постоянным явлением. Было забыто всё, что знали египтяне, греки, римляне, утеряны древние карты, угасла тяга к открытиям. Человечество возвратилось к мифологическому мировоззрению. Учение Птолемея отвергалось. Землю представляли в виде прямоугольника, окруженного хрустальными стенами, куполообразно сходящимися наверху. Это учение поддерживалось священниками и на Руси вплоть до XVII века.
На фоне общего невежества прошло незамеченным открытие в IX -X в.в. Винлянда (Северная Америка), и Америку пришлось открывать вторично.
Тем не менее, в XI в. в Европе вошел в употребление компас. С конца XII в. итальянцы начали составлять «портоланы», так называемые «компасные карты».
В начале XIV в. некоторое улучшение в познании мира имело место в связи с путешествием Марко Поло на восток через Европу, Закавказье, Среднюю Азию, Тибет к берегам Тихого океана. Поло описал природу Китая и Японии. Вернулся в Венецию он через 25 лет морем, подтвердив, что Азия с юга и востока омывается океаном.
Во время крестовых походов европейцы знакомятся с геодезией арабов. Именно арабы помогли сохранению научных знаний во мраке Средневековья. С VIII в. арабы распространили свое владычество от Инда до Испании, от Кавказа до тропической Азии. Появившись на берегах Средиземного моря, они частично усвоили греческие науки.
Тем не менее, арабы недостаточно критично подходили к греческим источникам и повторяли их ошибки, например, Индийский океан они представляли в виде узкого моря с чрезвычайно увеличенным островом (ныне Шри-Ланка) посередине. Арабские карты полны ошибок и искажений. Так, Балтийское море они изображали как бухту Ледовитого океана, Волга на их картах впадала одним рукавом в Каспийское море, другим - в Азовское. За центр Вселенной они принимали Мекку и подгоняли к этому весь картографический материал.
Так или иначе, труды арабов стояли на значительной высоте по сравнению со средневековой Европой. Кроме того, именно арабы внедрили изобретённый в Китае компас, свою систему вычислений и арабские цифры. В Европе же на протяжении тысячелетия, с VI по XV век, царил полный застой науки.
2.4 Период возрождения геодезии (XVI-XVII в.в.)
Период Возрождения геодезии начинается с эпохой Великих географических открытий (последние годы XV века - вторая половина XVI века).Португальцы первыми начинают серию Великих открытий.В 1484 г. португалец Бартоломеу Диаш первый из европейцев пересёк экватор. Христофор Колумб отправился открывать морской путь в Индию, но обнаружил неизвестный материк. 12 октября 1492 г. он достиг небольшого острова и назвал его Сан-Сальвадор, а вышеуказанная дата считается официальной датой открытия Америки. Сам же Колумб до конца своих дней верил в то, что он достиг островов Вест-Индии.
В 1497 г. экспедиция португальца Васко да Гамы обогнула мыс Доброй Надежды и дошла до Калькутты, открыв морской путь в Индию.
В 1498 г. Джон Кабот, генуэзец на английской службе, высадился на острове Ньюфаундленд и открывает побережье североамериканского материка.
В 1519 - 1521 годах Фернан Магеллан совершил первое кругосветное путешествие. Он обогнул Южную Америку с юга, открыл пролив, впоследствии названный его именем, прошел через Тихий океан и достиг Марианских островов. 27 апреля 1521 г. Магеллан погиб в схватке с туземцами на одном из Филиппинских островов. Из 265 человек, отправившихся в экспедицию, домой вернулось всего 18 моряков. Путешествие Магеллана подтвердило не только шарообразность Земли, но и доказало, что Земля вращается вокруг оси с запада на восток. Кроме того, после экспедиции Магеллана картографы стали допускать наличие пролива между Азией и Европой, в дальнейшем открытого Семёном Дежнёвым в 1648 году.
Со II половины 15 в. геодезисты начинают создавать новые картографические проекции, позволяющие без существенных искажений изобразить шарообразную Землю на плоскости.
Использовали и другой путь - создание глобуса. Первый уцелевший и дошедший до нас глобус был создан астрономом и картографом Мартином Бехаймом в 1492 г. в Нюренберге. Лучшим глобусом того времени был глобус Меркатора, созданный в 1541году. Голландский ученый Герард Меркатор выполнил большую работу по устранению ошибок старых карт. Карты Меркатора отличались большой точностью и наглядностью. Меркатора считают основоположником картографии как науки. На карте, созданной им в 1569г., компасные румбы заменены градусной сеткой меридианов и параллелей - проекцией Меркатора. На морских картах эта проекция применяется до сих пор. Меркатор занимался земным магнетизмом и первым указал на несовпадение Северного магнитного полюса с географическим.
В 1552 г. в литературе впервые встречается название «теодолит». Прибор ещё не имел оптических деталей, но им можно было измерять горизонтальные углы. Серийно теодолиты стал создавать английский механик Д. Рамсден с 1787 года. Прибор имел лимб диаметром 90 см и массу 91 кг. Труды Николая Коперника, Иогана Кеплера, Галилео Галилея стали основой создания гелиоцентрической системы мира. Это философское достижение было признано католической церковью только после 1875 года.
2.5 Современная геодезия
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.
За последние двадцать лет произошел новый качественный скачок, который можно назвать второй революцией в геодезии. Появились глобальные спутниковые системы, кардинально изменившие ситуацию в геодезии и навигации. Они позволяют сразу же, без всяких предварительных измерений, определять координаты любых точек на поверхности Земли и находить расстояние между ними с высокой точностью.
Геодезия играет важную роль в городском и линейном строительстве. Сейчас развитие населенных пунктов и городов, не выполнимо без подробного топографического плана, в котором подробно отображены все подземные коммуникации. На топографических картах также подробно показан рельеф и названия улиц с номера домов.
Геодезические работы предшествуют проектированию как мелких, так и крупных объектов строительства, осуществляют контроль строительства, сопровождают строительство, а при окончании строительства создается исполнительная съемка, в которой четко отображены все деформации и отклонения от проекта.
Также большую роль геодезические работы играют при оформлении земли в собственность. Ведь любая сделка с участками в настоящий момент требуют межевого плана, а составление межевого плана без геодезических работ невозможно. Сейчас изучением геодезии как основной науки занимаются многие колледжи и университеты. На сегодняшний день наука геодезия и деятельность геодезиста - один из самых перспективных и востребованных отраслей.
3. Развития топографии как науки
.1 Определение понятия "топография"
Топография (др.-греч. τόπος - место и γράφω - пишу) - научная дисциплина, изучающая методы изображения географических и геометрических элементов местности на основе съёмочных работ (наземных,с воздуха или из космоса) и создания на их основе топографических карт и планов. Топография может рассматриваться и как самостоятельный раздел картографии, изучающий проблемы картографирования территорий, и как раздел геодезии, посвященный вопросам проведения измерений для определения геометрических характеристик объектов на земной поверхности.
В сферу интересов топографии входят вопросы содержания топографических карт, методики их составления и обновления, вопросы их точности и классификации, а также извлечения из них различной информации о местности.
3.2 История развития топографии
Топография появилась ещё до появления письменности в первобытном обществе. Путешественники, расспрашивавшие эскимосов северной Америки о расположении окрестных островов и берегов, получали от них сравнительно внятные описания, в виде карт, нарисованных на кусочках коры или на песке. Сохранились карты в форме наскальных рисунков в итальянской долине Камоника относящиеся к бронзовому веку.В сферу интересов топографии входят вопросы содержания топографических карт, методики их составления и обновления, вопросы их точности и классификации, а также извлечения из них различной информации о местности. Особое развитие геодезической науки последовало в XV-XVIII веках н.э. Этот период можно по праву назвать «эрой измерений».
Усилия геодезистов были направлены на точное измерения дуг меридианов и параллелей (определение формы Земли). Развитию и совершенствованию методов геодезических работ способствовали научные достижения в области математики, физики и инструментальной техники. Например изобретение Галилеем зрительной трубы (1609г.) позволило резко повысить точность геодезических измерений. В 1731 году англичанин Джон Хэдли изобрел октант (прообраз секстанта), с помощью которого высоту светила над горизонтом можно было определять в 15 раз точнее, чем градштоком. В 1590 году Иоганн Преториус изобрел мензулу - полевой чертежный столик, состоящий из планшета, штатива и скрепляющей их подставки. Этот период можно считать началом современной топографии
Современный этап развития топографии характеризуется внедрением средств автоматизации в дело создания топографических карт. Практически приемлемые результаты уже получены для процессов считывания с помощью ЭВМ информации с аэроснимков и её записи в цифровой форме, автоматизированного преобразования последней при составлении оригиналов карт (включая трансформирование из центральной проекции в ортогональную, рисовку рельефа в горизонталях, дешифрирование части объектов) на различных приборах и гравировании (или вычерчивании) оригиналов для издания. Наряду с изготовлением карт средства автоматизации применимы в топографии для построения так называемых цифровых моделей местности, то есть формализованных её моделей, представленных координатами и характеристиками точек местности, записанными цифровым кодом (например, на магнитной ленте) для последующей обработки на ЭВМ.
земля географический открытие птолемей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Общество развивается, повышается роль науки и техники, расширяется понятие геодезии, появляются ряд новых задач, которые ставила перед этой наукой жизнь. В наше время геодезия - наука о способах определения рельефа и размеров нашей планеты, изображения земной поверхности на планах и картах, методах проведения геодезических измерений на суше, в акваториях , под землей, в околоземном пространстве и даже уже на других планетах.
«Геодезия представляет одну из полезнейших отраслей знания. Все наше земное существование ограничено пределами Земли, и изучать ее вид и размеры человечеству так же необходимо, как отдельному человеку - ознакомиться с подробностями своего жилья» - так охарактеризовал геодезию выдающийся ученый-геодезист В.В.Витковский .
Геодезия дает множество преимуществ при изучении планеты: определение точного расположения субъектов на плане, возможность создать и посмотреть будущий план объекта на компьютере, с помощью программ создания трехмерного изображения 3D-Max. Проведение геодезических работ а дальнейшем на стадии проектирования помогает с выбором вариантов планировки участка: прямоугольную, диагональную, круговую и др., также позволяет учитывать рельеф на данном участке: неровные поверхности, холмы, склоны, низины, провалы.
Геодезия, как и другие науки, постоянно впитывает в себя достижения математики, физики, астрономии, радиоэлектроники, автоматики и других фундаментальных и прикладных наук. Изобретение лазера привело к появлению лазерных геодезических приборов - лазерных нивелиров и свет дальномеров; кодовые измерительные приборы с автоматической фиксацией отсчетов могли появиться только на определенном уровне развития микроэлектроники и автоматики. Что же касается информатики, то ее достижения вызвали в геодезии подлинную революцию, которая происходит сейчас на наших глазах.
Таким образом, совместное решение научных проблем геодезии с другими науками позволяет познавать и глубже изучать Вселенную и Землю, на которой мы живем, и способствовать развитию человечества как части Вселенной.
Список использованной литературы
·.П. Папковский. Из истории геодезии, топографии и картографии в России. - М.:Наука.- 1983, 160 с.
·А.В. Постников. Развитие картографии и вопросы использования старых карт. - М.:Наука.-1985
·Л.С. Хренов. Хронология отечественной геодезии с древнейших времен и до наших дней. - Ленинград, 1987, 2
·Захаров А. И. «Геодезические приборы» - Москва «Недра», 1989.