Геодезия в лесном хозяйстве


В. Ф. Нестерёнок
М. С. Нестерёнок
В. А. Кухарчик





                ГЕОДЕЗИЯ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ




Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования, реализующих образовательные программы среднего специального образования по специальности «Лесное хозяйство»






учебной книги

и средств обучения

РИПО

Минск
РИПО
2015

УДК 528.2/.5:630(075)
ББК 26.12:43я723
      Н56



Рецензенты:
цикловая комиссия специальных дисциплин по специальности «Лесное хозяйство» филиала «Бобруйский государственный лесотехнический колледж» УО «Белорусский государственный технологический университет» (С. А. Артёмчик);
заведующий кафедрой «Геодезия и кадастры» УО «Полоцкий государственный университет», кандидат технических наук, доцент Г. А. Шароглазова.

   Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

   Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Республики Беларусь.





      Нестерёнок, В. Ф.
Н56 Геодезия в лесном хозяйстве : учеб. пособие / В. Ф. Нестерёнок, М. С. Нестерёнок, В. А. Кухарчик. — Минск : РИПО, 2015. - 280 с. : ил.
        ISBN 978-985-503-479-8.

         Изложены общие вопросы инженерной геодезии. Рассмотрены основные понятия геодезии, подробно представлены сведения о современных средствах и технологиях картографо-геодезического обеспечения лесного хозяйства.
         Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования по специальности «Лесное хозяйство».

                                                      УДК 528.2/.5:630(075)
                                                      ББК 26.12:43я723




ISBN 978-985-503-479-8

      © Нестерёнок В. Ф., Нестерёнок М. С., Кухарчик В. А., 2015
                             © Оформление. Республиканский институт профессионального образования, 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

    Учебное пособие предназначено для геодезической подготовки учащихся учреждений среднего специального образования по специальности «Лесное хозяйство». Оно написано в соответствии с действующей типовой учебной программой по геодезии для названной специальности и дополнено сведениями о современных средствах и технологиях картографогеодезического обеспечения лесного хозяйства.
    Учебное пособие состоит из трех разделов. В первом разделе рассматриваются исходные сведения о геодезии и проекционных основах составления топографических и лесных карт, решения по ним геодезических задач; во втором — излагаются геодезические методы измерения горизонтальных и вертикальных углов, расстояний и превышений; в третьем — раскрывается содержание съемочных и специальных геодезических работ, выполняемых при ведении лесного хозяйства.
    Освоение учебной дисциплины «Геодезия» традиционно следует принципу «от простого к сложному». Соответственно изучение основ геодезических работ начинается с рассмотрения относительно простых оптико-механических приборов, широко применяемых при лесных съемках, создании картографической повыдельной базы данных географические информационные системы (ГИС) «Лесные ресурсы». Названный принцип представляется рациональным в поэтапной подготовке специалистов к производственной работе и к освоению в дальнейшем при необходимости электронных и спутниковых геодезических приборов.
    Знания и умения, полученные при освоении учебной дисциплины «Геодезия», используются также в изучении других учебных дисциплин по специальности.

3

РАЗДЕЛ I. ИСХОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ГЕОДЕЗИИ

    ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕОДЕЗИИ

    1.1. Предмет геодезии и ее применение в лесном хозяйстве

    В общей площади Республики Беларусь 207,6 тыс. км² лесные угодья занимают около 35 %. Леса представляют важнейший возобновляемый источник древесного сырья многообразного использования, выполняют экологические, водоохранные и многие другие важнейшие функции по сохранению природной среды и приемлемых условий жизни людей, животного и растительного мира. Для рационального ведения лесного хозяйства и поддержания таких функций выполняется лесоустройство с применением различных видов геодезических работ.
    Геодезия связана и с другими отраслями научной и хозяйственной деятельности, занятыми изучением планеты Земля и ее природных ресурсов, их использованием, решением экологических и других проблем. Большое значение принадлежит геодезическим сведениям о земных объектах в виде картографических материалов и цифровых данных.
    Современные геодезические работы выполняются в условиях фундаментального совершенствования функциональных возможностей геодезических средств измерений и технологий их использования: оптико-механические приборы заменяются автоматизированными измерительными комплексами, передающими полевую цифровую информацию на стационарные центры ее компьютерной обработки и преобразования в графические материалы (карты, планы, профили) или в цифровые модели местности. Например, учет лесных ресурсов, сельскохозяйственных земель переведен на компьютерные ГИС. Фотоснимки лесов с белорусского и других спутников содержат оперативные данные о текущем состоянии лесона

4

Глава 1. Основные понятия геодезии

саждений, лесных пожарах и служат для уточнения лесных карт, своевременного внесения в них изменений, вызванных хозяйственной деятельностью и др.
    Однако наряду с инновациями в геодезическом обеспечении лесного хозяйства по-прежнему важное значение придают традиционным наземным методам лесных съемок: буссольной, теодолитной, нивелирной. Профессионально подготовленные специалисты лесного хозяйства должны хорошо знать инструментальные внутриквартальные съемки, поскольку и в обозримом будущем такие съемки останутся востребованными вследствие их технической простоты и надежности. При этом на основе таких знаний и умений обеспечиваются грамотные полевые измерительные работы с аэрофотоснимками лесов и эффективное внедрение современных спутниковых методов в практику детальных съемок контуров лесонасаждений.
    Краткие сведения о развитии геодезии. Геодезия (от греч. ge — Земля, dаiо — разделяю) возникла в глубокой древности, когда появилась необходимость ориентирования на местности, межевания объектов землевладений и определения их площадей, выполнения измерений с элементами геометрии при строительстве жилых зданий и различных сооружений. Создавались устройства для придания нужных уклонов искусственным водотокам, составлялись чертежи участков земной поверхности и сооружений на ней. В Древнем Египте, в античной Греции уже в IV-II вв. до н. э. для названных целей использовались различные технические средства: меры длины, отвесы, угольники, водяные уровни, угломерные устройства. На такой практической основе оформилась наука геометрия (землеизмерение). Зародились принципы практического использования геометрических понятий к созданию и применению названных средств измерений и вспомогательных устройств для придания определенной геометрии, ориентации, вертикальности и уклона различным видам возводимых сооружений (зданиям, башням, пирамидам, водопроводам и др.). Пифагоров треугольник служил для построения прямого угла, число п — для расчета радиуса окружности заданной длины и др.

5

Раздел I. Исходные сведения по геодезии

    Термин «геодезия» (землеразделение) впервые встречается в трудах Аристотеля (384-322 до н. э.) для обозначения различия между теоретическими и практическими задачами единой науки того времени — геометрии. Научные основы геодезии отражены в трудах Герона Александрийского «О диоптрах», «Измерение площадей». Эратосфен (276-194 до н. э.) из определений длины отрезка сферической прибрежной полосы поверхности моря рассчитал близкий к действительному радиус Земли (» 6000 км).
    Для подтверждения закона всемирного тяготения Ньютона и определения фактической величины теоретически предсказанного полярного сжатия Земли использовались астрономогеодезические измерения. Ученые Французской академии наук в 1735—1740 гг. методом триангуляции определили длину отрезка дуги меридиана и ее радиус вблизи экватора (Перуанские градусные измерения) и вдоль границы Финляндии и Швеции (Лапландские градусные измерения). В результате впервые достаточно точно для того времени были определены размеры земного эллипсоида — геометрической модели планеты. В дальнейшем, по мере накопления результатов градусных измерений на территории Франции, размеры земного эллипсоида уточнили, и при введении метрической системы мер французские ученые приняли в 1795 г. единицу длины метр, равную 1 : 10 000 000 вычисленной в то время длины дуги «парижского меридиана» протяженностью от экватора до Северного полюса. Однако в настоящее время длина исходного метра и его копий определяется физически точным методом.
    Архивные сведения о геодезических работах по измерениям площадей земельных участков и составлении их планов на западной части территории современной Беларуси имеются в документах конца XV в. Землеустройство получило массовый характер во время «Валочнай памеры» (аграрной реформы второй половины XVI — первой половины XVII в. в Великом Княжестве Литовском), когда за 5 лет только в государственных владениях было учтено 1250 тыс. га земель. Работы выполнялись согласно специальным инструкциям — «Уставам», которые содержали описания методики работ с примерами

6

Глава 1. Основные понятия геодезии

расчетов и составления схем. «Устава на валоки» 1557 г. содержала артикул № 32 «О судеревных лесох и пущчах», согласно которому предписывалось ревизорам «обмерять лес вокруг», обозначать его границы на местности и вычислять его площадь «в валоках» (1 валока равна приблизительно 21,36 га).
    Белорусский ученый Илья Федорович Копиевич на рубеже XVII-XVIII вв. заложил основы развития геодезии в России, создав по указанию Петра I первые учебники («Морского плавания книга» и др.), в которых рассматривались и соответствующие сведения по геодезии того времени.
    Начальник Николаевской академии генерального штаба Российской армии Густав Федорович Стефан (1796-1873) создал буссоль, которая практически в неизменном виде под обозначением БС-2 (буссоль Стефана, 2-я модель) и в настоящее время эффективно используется при лесных геодезических работах.
    На территории Беларуси в 1816—1821 гг. корпусом военных топографов была создана первая в России Виленская опорная сеть триангуляции, и на ее основе получены точные топографические карты с изображением на них населенных мест, сельскохозяйственных земель, лесов и других объектов.
    В годы существования СССР территория республики была обеспечена пунктами геодезических опорных сетей (в виде составной части государственной геодезической сети СССР), необходимых для ее достоверного картографирования, проведения разнообразных изысканий при проектировании и строительстве различных объектов народного хозяйства, создания лесных карт и планов, определения по картам площади лесонасаждений, расчета лесных ресурсов и других лесохозяйственных задач.
    После 1960-х гг. на смену оптико-механическим геодезическим приборам и относительно простым вычислительным устройствам все шире стали применяться высокоавтоматизированные электронно-цифровые измерительные комплексы и компьютерные технологии обработки результатов измерений для получения баз картографо-геодезических данных по всем основным видам площадных наземных объектов, в том числе лесонасаждений.

7

Раздел I. Исходные сведения по геодезии

    В Беларуси создана система аэрокосмического мониторинга лесов на основе приема космической информации в республиканском унитарном предприятии «Белгослес». Методами аэрофотосъемки периодически обновляются карты лесов Беларуси. Оперативная съемка лесов выполняется аппаратурой высокого разрешения с белорусского спутника, обеспечивая эффективный многофакторный анализ их текущего и прогнозируемого состояния.
    В Беларуси функционирует ГИС «Лесные ресурсы», которая в цифровой (с применением компьютеров) и аналоговой (с использованием карт) формах представляет текущие данные о лесах: их породном составе, почвенных условиях произрастания, спелости, запасах древесины и др. В координатную основу ГИС заложены также геометрические показатели лесонасаждений — их границы, квартальные просеки, внутриквартальные контуры древесных пород и др. Географические координаты этих и других объектов при их картографировании определяются геодезическими методами (наземными, спутниковыми, аэрофотосъемкой и др.). К наземным видам геодезических работ, на основе которых создается и обновляется ГИС, относятся буссольная, теодолитная и тахеометрическая съемки, нивелирование.
    Основные разделы современной геодезии. В процессе развития в геодезии выделился ряд связанных между собой научных дисциплин. Среди них следует назвать те, которые в определенной мере учитываются или используются в геодезическом обеспечении лесного хозяйства.
    Космическая (спутниковая) геодезия — рассматривает координатные описания движения искусственных спутников Земли в режиме реального времени для решения геодезических задач методами, основанными на определении расстояний от наземных приемников до спутников, излучающих специальные радиосигналы.
    Высшая геодезия — изучает методы определения формы и размеров планеты Земля, методы определения координат точек на ее поверхности, современные движения земной коры и их прогнозирование.

8

Глава 1. Основные понятия геодезии

    Топография — рассматривает наземные методы измерений на земной поверхности, а также аэрокосмические методы дистанционного зондирования и фотографирования земной поверхности, обработки их результатов и представления в виде топографических карт и планов.
    Фотограмметрия — рассматривает методы расчета параметров аэрофотосъемки земной поверхности для получения стереографического изображения и пространственной модели местности, на основе которой аналитическими методами создаются топографические и лесные карты.
    Картография — изучает теоретические основы картографических проекций и технологию создания карт различных масштабов и назначения для отображения земной поверхности, различных природных и техногенных объектов на ней. В настоящее время развиваются методы создания и практического использования цифровых и электронных карт.
    Инженерная геодезия — рассматривает методы производства геодезических измерений при выполнении разнообразных изысканий, при возведении объектов строительства всех видов, при ведении лесного хозяйства и т. д.
    Учебный предмет «Геодезия» предусматривает изучение теории и освоение практики геодезических работ, выполняемых при ведении лесного хозяйства: картографирование и определение площадей лесных массивов, кварталов, выделов; отвод лесосек, лесопосадок; геодезические изыскания лесовозных дорог, решение специальных геодезических задач; в той или иной мере рассматривает современные методы спутникового местоопределения, топографии, фотограмметрии, картографии и инженерной геодезии.

    1.2. Понятие о фигурах и размерах Земли. Метод ортогональной проекции

    Фигуры Земли. Физическая поверхность земной коры изобилует неровностями как на суше, так и на дне морей и океанов. Однако при изучении размеров и формы планеты Земля и картографировании реальную неровную ее поверхность заменяют правильной сферической поверхностью, которую мож

9

Раздел I. Исходные сведения по геодезии

но описать математическими формулами и на которой можно построить системы сферических координат для определения местоположения различных объектов в плане и по высоте. Поскольку более 70 % земной поверхности покрыто водами Мирового океана, то в качестве естественного приближения к сглаженной поверхности модели Земли принимается поверхность Мирового океана в состоянии полного покоя и равновесия. Эта поверхность называется геоидом.
    Поверхность геоида всюду выпукла и в каждой точке перпендикулярна направлению силы тяжести (рис. 1.1), но вследствие неоднородностей плотности масс в земной коре направления сил тяжести отклоняются от направления на центр масс Земли. Поэтому поверхность геоида имеет глобальные и локальные волны и не имеет строгого геометрического описания, в результате невозможно достаточно простое решение точных задач по распространению и вычислению координат точек земной поверхности.

A 6

K1

90°

M м^м
Во, 90°\Д-'-;

V     В,  F
E 1    ¹    1

cwy !^\Ж90°

321
EuK
      5
4--W S

9

Рис. 1.1. Геоид, земной эллипсоид, высоты точек: 1 — поверхность земной коры; 2 — поверхность геоида; 3 — поверхность земного эллипсоида;
4 — отвесная линия в точке С; 5 — нормаль к поверхности земного эллипсоида в точке С; 6 — высотная координата Н = В₀А точки А;
7 — уровенная поверхность точки А; 8 — отвесная линия в точке М;
9 — уровенная поверхность в точке М; и — угол уклонения отвесной линии от нормали к поверхности земного эллипсоида;
h — превышение между точками А и М

    Для решения этих задач в геодезии используют правильную математическую модель — общий земной эллипсоид, имеющий форму эллипсоида вращения, сжатого вдоль полюсов, ось вращения которого и геометрический центр совпадают

10