Исторические сведения

Необходимость проведения геодезических работ возникла у человечества в глубокой древности. Народы Индии, Египта, Греции и других стран за несколько тысячелетий до нашей эры вели геодезические работы в целях строительства каналов, возведения сооружений, деления земельных массивов на части.

Геодезические работы часто производились для размежевания земельных участков, которое ежегодно надо было выполнять, например, после разливов в долине реки Нила. Ученые древности интересовались более крупными вопросами, чем межевание и разделение земли на участки. Их интересовала форма и размеры Земли, как изобразить ее поверхность на плоскости, на карте.

Первое представление о Земле, общем виде ее, нашло отражение в карте, составленной Анаксимандром из Милета, в VI в. до н.э. Землю представляли в виде овала, вытянутого с востока на запад в два раза больше, чем с севера на юг.

Пифагор (VI в. до н.э.) выдвинул гипотезу, по которой Земля представлялась шаром.

Аристотель (IV в. до н.э.) в своих трудах упоминает геодезию как науку. Он считал, что Земля шар и неподвижна, а все вращается вокруг нее.

Эратосфен (276-195гг. до нашей эры) написал книгу «География». Земную поверхность он изобразил на плоскости и впервые провел на карте меридианы и параллели (но через некоторые географические пункты, а не сетку меридианов). Эратосфен впервые произвел геодезические измерения по установлению радиуса Земли. По его данным (в пересчете на современные единицы длины) радиус получился равным 6287 км (по нынешним определениям, если Землю принять за шар R=6371 км):

где l - длина дуги меридиана от г. Сиена до г. Александрии (в устье Нила) - 5000 египетских стадий;

158 м - одна египетская стадия;

Δφ - длина дуги меридиана (Сиена - Александрия) - 7,2о;

p - радиан - 57,3о.

Птолемей (II в. н.э.) изобразил земную поверхность (Африку, Евразию) с меридианами и параллелями.

В тоже время в Греции были созданы географические карты, учитывающие шарообразность Земли; первые научные основания получила картография.

Отметим, что в 827 году арабские ученые непосредственно измерили длину дуги меридиана в 10 на широте 350 (к западу от р. Тигр), и получили результат 111,8 км, близкий к современным данным (110,9км). В 1620г. был изобретен верньер (французским механиком Вернье) – приспособление для оценки дробной части деления градуированного круга при измерении горизонтальных углов.

Первые геодезические приборы с оптической трубой – нивелиры - появились во второй половине XVII века. Теодолит с оптической трубой был изобретен английским механиком Джессом Рамсденом в середине XVIII века. Голландский ученый Снеллиус (1591-1626гг.) применил метод триангуляции, позволивший определять с высокой точностью значительные расстояния на местности. Эти открытия и достижения привели к быстрому развитию геодезических и картографических работ.

К концу XVII столетия И. Ньютон (1642-1727), на основе открытого им закона всемирного тяготения, и Гюйгенс (1629-1695) пришли у выводу, что Земля должна иметь форму шара, несколько сплюснутого у полюсов.

Рассуждения Ньютона были таковы: если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то все частицы её, будучи подвержены взаимному притяжению, должны образовать тело, имеющее форму шара. Вследствие суточного вращения Земли вокруг своей оси в каждой точке возникает центробежная сила, действующая перпендикулярно к оси вращения и стремящаяся растянуть Землю по направлению экватора. Очевидно, эта сила будет наибольшей во всех точках экватора, а на полюсах равна нулю. Отсюда следует, по Ньютону, что Земля вследствие суточного вращения должна принять форму, близкую к фигуре эллипсоида вращения, сплюснутого у полюсов.

Для проверки теории Ньютона следовало определить длину дуги меридиана в один градус под разными широтами. Если бы длина одного градуса меридиана под северной широтой получилась больше, чем на экваторе, то это доказывало бы сплюснутость Земли у полюсов.

Первая попытка подтвердить теорию Ньютона не увенчалась успехом.

Выполненные под руководством Кассини градусные измерения во Франции, вследствие ошибок измерений и методических недочётов в постановке работ, привели к противоположным результатам, т.е. из этого измерения получился вывод, что Земля представляет собой фигуру, вытянутую в направлении полюсов.

Для окончательной проверки теории Ньютона Французская академия наук организовала две экспедиции: одну в Перу (1735-1742гг), где была измерена дуга, пересекшая экватор; другую – в Лапландию (1736-1737гг), где были выполнены градусные измерения под широтой около 660. Результаты обработки материалов этих экспедиций полностью подтвердили теорию Ньютона.

Вопрос о фигуре Земли привлекал в то время чрезвычайно большое внимание учёных всего мира.

С подтверждением теории Ньютона об эллипсоидальности Земли начался новый этап в развитии знаний о фигуре Земли.

Этот этап характерен тем, что в основу научных изысканий были положены два метода изучения фигуры Земли – геометрический и физический.

В принципе, геометрический метод остался прежним, за исключением того, что для вывода земного эллипсоида возникла необходимость определять числовые значения двух его параметров, например, большой полуоси а и сжатия ; следовательно, минимально необходимое число уравнений градусных измерений стало равно двум.

Геометрический метод определения фигуры Земли заключается в следующем. Допустим, что из непосредственных измерений на поверхности Земли получена длина некоторой дуги меридиана АВ, равная S (рис. 1).

Пусть определены из астрономических наблюдений широты точек А и В этой дуги 1 и 2, причем 2 > 1, тогда, принимая Землю за шар, имеем:

где S_1˚- длина дуги в 1˚.

Из выражения получаем:

и

где R - радиус Земли

Рис. 1

Угол, как разность широт 2-1 , представляет собой разность направлений отвесных линий в точках А и В или, иначе, направлений силы тяжести. Следовательно, в геометрическом методе используется направление силы тяжести. В физическом методе используется напряжение силы тяжести, выражающееся в сообщаемом ее телам ускорении.

С середины ХVШ века все крупные страны приступили к топографически съемкам своих территорий. Войны конца XVIII и начала XIX веков способствовали развитию этих работ во всех странах. Значение карт для нужд обороны было оценено в полной мере.

В XIX веке становится более совершенной техника геодезических измерений. Появились угломерные инструменты с высокоточными отсчитывающими приспособлениями (микроскопы, микрометры); в конце века появился прибор для измерения расстояний подвесными проволоками (базисный прибор Едерина). Точность результатов геодезических измерений значительно повысилась.

На Руси также проводились геодезические измерения. В 1729 г. на развалинах вблизи Тамани (Тмутаракани) была найдена каменная плита-памятник, на которой высечена надпись на древнерусском языке:”В лето 6576 Глеб князь мерил морем по лёду от Тмутараканя до Корчева 14000 сажен”. Здесь 6576 означает 1068 год, “Корчева” - Керчь. Князь Глеб известен по “Летописи”, он княжил в Тмутаракане и был убит на войне в 1078 г. Этот памятник, сохранившийся до наших дней, является древнейшим памятником русской письменности и древнейшим памятником русских геодезических работ. Он хранится в Государственном музее - Эрмитаже.

О строгости законов на Руси по отношению к геодезическим межевым знакам говорят сведения из “Пространной Русской Правды” Ярослава Мудрого (1054 г.), в которой содержатся законы, охраняющие границы землевладений от нарушений: “Кто в бортном ухожье ... сделанные на бортиях знаки стешет и свои положит, с такового 12 гривен пени; кто столб гранный на меже бортного ухожья посечет, или межу пашенную распашет или с дворовой межи тын на другое место переставит, с такового 12 гривен пени; кто дуб гранный срубит или межевой столб повалит, с такового 12 гривен пени” [16].

С введением в Московском государстве поместной системы, т.е. с раздачей земель за государственную службу, в XV в. начаты сплошные межевые работы.

Ценным вкладом в познание московских земель был “Большой Чертёж” Московского государства, составленный в Разрядном приказе примерно около 1570 г. Этот “Большой Чертёж” представлял собой карту, на которой были показаны населенные пункты, реки, дороги в пределах: на западе - р. Днепр, на востоке - р. Обь и на юг - до Крыма.

В 1667г. тобольский воевода Петр Годунов «со товарищи» составил чертеж Сибири.

В 1698г. новую карту Сибири составил боярский сын С. Ремезов, а в 1701г. он закончил «Чертежную книгу Сибири» – первый географический атлас России.

Указом Петра I от 14 января 1701г. была организована в Москве первая в Росси школа точных «математических и навигационных» наук.

В начале XVIII в. Московская математическая школа, а затем и Морская академия в Петербурге стали готовить хорошо образованных геодезистов, которые направлялись на геодезические работы в различные части Российской империи.

В XVIII столетии, наряду с общегеографическими картами России, составлявшимися и издававшимися Географическим департаментом Академии наук, значительное количество различных карт составлялось для русской армии, главным образом Генеральным штабом.

В 1797г. было организовано Депо карт, а в 1822г. Корпус военных топографов, которые получили задание собирать существующие карты, производить съемки и издавать новые карты. Корпус военных топографов в XIX веке выполнил очень значительные работы по съемкам, составил и издал карту европейской части России до р. Волги и много других карт.

В связи с расширением геодезических работ, связанных с Генеральным межеванием, в 1779г. в Москве была создана Межевая школа, впоследствии Межевой институт – крупнейшее высшее учебное заведение по подготовке геодезических кадров.

Наряду с Корпусом военных топографов (1822г.), топографические съемки производили Переселенческое управление, Межевое ведомство, Главное гидрографическое управление, Геологический комитет, Горное ведомство и Русское географическое общество.

Очень точный вид геодезических работ (триангуляцию) отдельные военные топографы начали производить с 1816 г. Здесь следует отметить триангуляционный ряд по меридиану от устья Дуная до Ледовитого океана протяжением 25о20/, проложенный под руководством акад. В.Я. Струве (1793-1864гг) и военного геодезиста К.И. Теннера (1783-1856гг) в период с 1816 по 1852 гг. Эта выдающаяся работа долгое время являлась образцом в части методики высокоточных измерений и глубины научного подхода к решению задачи определения размеров земного эллипсоида.

Топографо-геодезические работы в дореволюционной России (до 1917г.) производились многими организациями, но обеспеченность картами всей страны была весьма неравномерной. Недостаток всех этих работ, помимо скудности ассигнуемых на них средств, состоял в несогласованности действий различных учреждений, занимавшихся топографо-геодезическими работами, в отсутствии единого органа по планированию и руководству ими. На пограничные районы имелось много первоклассных топографических карт, а на огромные районы (особенно восточные) карты отсутствовали или были составлены на редкой геодезической основе. Топографическая изученность страны была весьма слабой.

На устранение перечисленных недостатков было направлено образование Высшего геодезического управления при Совете Народных Комиссаров (15 марта 1919г.). Перед ВГУ была поставлена задача сплошного картографирования всей страны для изучения ее территории в топографическом отношении в целях поднятия экономического развития страны. ВГУ, переименованное впоследствии в Главное управление геодезии и картографии (ГУГК), было наделено правами центрального органа, осуществляющего научное и техническое руководство общегосударственными и ведомственными геодезическими работами в целях правильной их постановки и возможности использования для картографирования. В настоящее время ГУГК преобразовано и называется «Федеральная служба геодезии и картографии». В её подчинении имеются предприятия и картографические фабрики, расположенные в различных городах России.

Подготовка кадров в России осуществляется геодезическими высшими учебными заведениями (МИИГАиК – Московский институт инженеров геодезии аэрофотосъёмки и картографии, ныне Московский государственный университет геодезии и картографии). Научные работы в области геодезии проводятся организованным в 1928г. Центральным научно-исследовательским институтом геодезии, аэрофотосъёмки и картографии (ЦНИИГАиК), а также специальными кафедрами вузов.

В 1940г. в ЦНИИГАиК под руководством Ф.Н. Красовского и при участии А.А. Изотова были вычислены размеры Земли, принятые для геодезических и картографических работ в СССР. За короткий период проделана огромная работа по созданию государственной опорной геодезической сети.

В 1945г. закончены работы по созданию Государственной топографической карты в масштабе 1:1000000. В середине 50-х годов вся территория страны была покрыта съёмкой М 1:100000 (т.е. имелись топографические карты).

В последние годы ведётся и завершено составление карт М 1:25 000, для многих промышленных районов и территорий, а также масштаба 1:10 000 для городов.

Этот успех достигнут благодаря широкому применению методов аэрофотогеодезии, которые разрабатываются с 1924г.