Геодезия ч.1
Современная геодезия
Основные контрольные обследования
Геодезические изыскания включают в себя такие обширные области, что необходимо учитывать кривизну Земли. Таким образом, исходные измерения для классической триангуляции (основной метод съемки, заключающийся в точном измерении базовой линии и вычислении других местоположений с помощью измерения угла) сводятся к длине уровня моря, чтобы начать вычисления, и вносятся поправки на сферическое превышение в угловых определениях. Геодезические работы подразделяются на четыре «порядка», в соответствии с точностью, причем съемки первого порядка имеют наименьшую допустимую погрешность. Первичная триангуляция выполняется в соответствии с жесткими спецификациями для обеспечения точности первого порядка.
В настоящее время предпринимаются усилия по расширению и объединению существующих континентальных сетей с помощью спутниковой триангуляции, с тем чтобы облегчить приведение всех основных геодезических съемок к единому мировому базису и определить размер и форму земного сфероида с гораздо большей точностью, чем это было сделано ранее. В то же время нынешние национальные сети будут укреплены, а оставшийся объем работы может быть несколько сокращен. Спутниковая триангуляция была введена в эксплуатацию в Соединенных Штатах в 1963 году с наблюдениями отскока а-13, запущенного в том же году, и некоторыми предыдущими работами с использованием пассивных отражающих спутников Echo 1 и Echo 2. Первый спутник, специально предназначенный для геодезических работ, Pageos 1, был запущен в 1966 году.
Первым требованием для топографического картирования данной местности является адекватная схема расположения горизонтальных и вертикальных контрольных точек, а начальным этапом является сбор всей такой имеющейся информации. Она состоит из описания точек, для которых были определены положения (в терминах широты и долготы) и высоты над средним уровнем моря. Они иногда располагаются на некотором удалении от непосредственного проекта, и в этом случае необходимо расширить уже имеющиеся работы. Это обычно делается по стандартам второго или третьего порядка, в зависимости от длины задействованных цепей.
Точность геодезических измерений может быть повышена практически до бесконечности, но только при увеличении затрат. Соответственно, используются контрольные съемки; они состоят из сравнительно небольшого числа точных измерений, охватывающих всю площадь проекта и из которых делаются короткие, менее точные измерения для объектов, подлежащих размещению. Простейшей формой горизонтального управления является траверса, которая состоит из ряда отмеченных станций, Соединенных измеренными курсами и измеренными углами между ними. Когда такая серия расстояний и углов возвращается в свою точку начала или начинается и заканчивается на станциях высшего (более точного) контроля, ее можно проверить и при малых погрешностях измерений скорректировать на математическую непротиворечивость. Предполагая или измеряя направление одного из курсов и прямоугольные координаты одной из станций, можно вычислить прямоугольные координаты всех станций.
Триангуляция
Система треугольников обычно обеспечивает превосходное горизонтальное управление. Измеряются все углы и по крайней мере одна сторона (основание) триангуляционной системы. Хотя можно использовать несколько схем, одна из лучших — это четырехугольник или цепочка четырехугольников. Каждый четырехугольник, с его четырьмя сторонами и двумя диагоналями, обеспечивает восемь углов, которые измеряются. Чтобы быть геометрически согласованными, углы должны удовлетворять трем так называемым угловым уравнениям и одному боковому уравнению. То есть три угла каждого треугольника, которые прибавляются к 180°, должны иметь такие размеры, чтобы вычисление через любой набор соседних треугольников внутри четырехугольников давало одинаковые значения для любой стороны. В идеале четырехугольники должны быть параллелограммами. Если система соединена с ранее определенными станциями, то новая система должна соответствовать установленным измерениям.
Когда съемка охватывает область, достаточно большую для того, чтобы кривизна Земли была фактором, в качестве опорной поверхности должно использоваться воображаемое математическое представление Земли. Считается, что ровная поверхность на среднем уровне моря представляет собой размер и форму Земли, и это называется геоидом. Из—за гравитационных аномалий геоид нерегулярен; однако он очень близок к поверхности, образованной эллипсом, вращающимся вокруг своей малой оси, то есть эллипсоидом, слегка уплощенным на концах или сплюснутым. Такая фигура называется сфероидом. Некоторые из них были вычислены различными органами власти; тот, который обычно используется в качестве опорной поверхности англоязычными нациями,-это сфероид Кларка (Александр Росс) 1866 года. Этот сплюснутый сфероид имеет полярный диаметр примерно на 27 миль (43 километра) меньше, чем его диаметр на экваторе.
Поскольку направления гравитации сходятся к геоиду, длина земной поверхности, измеренная над геоидом, должна быть уменьшена до ее эквивалента на уровне моря, т. е. Предполагается, что эти длины являются расстояниями, измеренными на сфероиде, между протяженными линиями силы тяжести вплоть до сфероида от концов измеренных длин на реальной поверхности Земли. Положение обзорных станций на земной поверхности задается в сферических координатах.
Контрольные отметки, или отмеченные точки На поверхности земли, Соединенные точным выравниванием, составляют вертикальные элементы управления геодезией. Высоты контрольных точек задаются в терминах их высоты над выбранной ровной поверхностью, называемой датумом. В крупномасштабных исследованиях обычным датумом является геоид. Высота над уровнем моря, принимаемая за нулевую для эталонных данных, представляет собой высоту среднего уровня моря, определяемую серией наблюдений в различных точках вдоль морского побережья, проводимых непрерывно в течение 19 и более лет. Поскольку средний уровень моря не совсем совпадает с геоидом, вероятно, из — за океанских течений, при корректировке сетки уровней для Соединенных Штатов и Канады все высоты, определенные для среднего уровня моря, были удержаны на нулевой высоте.
Поскольку ровные поверхности, определяемые выравниванием, слегка искажаются в области по направлению к полюсам Земли (из-за уменьшения центробежной силы и увеличения силы тяжести на более высоких широтах), расстояния между поверхностями и геоидом не совсем точно отражают высоту поверхностей от геоида. Чтобы исправить эти искажения, ортометрические поправки должны быть применены к длинным линиям уровней на больших высотах, которые имеют тенденцию Север–Юг.
Тригонометрическое выравнивание часто необходимо там, где нет точных высот или когда необходимо определить высоты недоступных точек. Из двух точек известного положения и высоты горизонтальное положение неизвестной точки определяется путем триангуляции,а вертикальные углы от известных точек измеряются. Различия в высоте от каждой из известных точек до неизвестной точки могут быть вычислены тригонометрически.
Национальная океаническая служба в последние годы надеялась увеличить плотность горизонтального контроля до такой степени, чтобы ни одно место в Соединенных Штатах не находилось дальше 50 миль (80 километров) от основной точки, и успехи, ожидаемые в аналитической фототриангуляции, позволяют предположить, что предполагаемая плотность контроля вскоре может оказаться достаточной для топографического картирования. Существующая плотность контроля в Великобритании и большей части Западной Европы уже достаточна для проведения картографических и кадастровых съемок.
Глобальное позиционирование
Методы, используемые для определения положения опорных точек в пределах области, подлежащей нанесению на карту, аналогичны методам , используемым в навигации. Однако в геодезии требуется большая точность, и это достижимо, потому что наблюдатель и прибор неподвижны на земле, а не на корабле или самолете, который не только движется, но и подвержен ускорениям, что делает невозможным использование спиртового уровня для точных измерений высот звезд.
Техника определения местоположения по наблюдениям за небесными объектами быстро устаревает. Практикуя его, землемер использует теодолит с духовным уровнем для точного измерения высоты Солнца в разное время суток или нескольких известных звезд в разных направлениях. Каждое наблюдение определяет линию на поверхности Земли, на которой должен находиться наблюдатель; несколько таких линий дают фиксацию, точность которой определяется тем, насколько близко эти линии встречаются в точке. Для определения долготы необходимо также записать среднее время по Гринвичу каждого наблюдения. Это было получено с 1884 года с помощью точного хронометра, который проверялся по крайней мере один раз в день по сигналам времени, передаваемым телеграфно по наземным линиям и подводным кабелям или передаваемым по радио.
Более поздняя процедура глобального позиционирования основана на использовании спутников, местоположение которых в любой момент времени точно известно, поскольку они постоянно наблюдаются с ряда станций во всех частях мира. Координаты этих станций устанавливались путем очень крупномасштабной триангуляции на основе сочетания радиолокационных наблюдений расстояний и измерений направлений движения специальных аэростатов или мигающих спутников, полученных путем фотографирования их в известные моменты времени на фоне неподвижных звезд.
Основной метод использования спутников для точного позиционирования основан на применении эффекта Доплера. Радиосигнал передается спутником на постоянной частоте, но стационарный наблюдатель обнаруживает более высокую частоту, когда спутник приближается, и более низкую, когда он удаляется. Скорость падения частоты зависит от расстояния наблюдателя от траектории спутника, поэтому определение этой скорости обеспечивает измерение этого расстояния. В момент наиболее близкого приближения спутника наблюдаемая частота совпадает с передаваемой, поэтому в это время наблюдатель должен находиться где-то вдоль линии под прямым углом к траектории спутника. Поскольку этот след над поверхностью Земли точно известен во все времена, эти данные определяют положение наблюдателя.
Создание основы
Большинство геодезических каркасов возводятся путем измерения углов и длин сторон цепочки треугольников, соединяющих точки, фиксируемые глобальным позиционированием. Затем местоположение наземных объектов определяется по отношению к этим треугольникам менее точными и, следовательно, более дешевыми методами. Создание такой структуры гарантирует, что детальные обследования, проводимые в разное время или разными геодезистами, будут соответствовать друг другу без дублирования или пробелов.
На протяжении веков углы этих треугольников располагались на вершинах холмов, каждый из которых был виден по крайней мере с двух других, при этом измерялись углы между соединяющими их линиями; этот процесс называется триангуляцией. Длины одной или двух из этих линий, называемых основаниями, измеряются с большой тщательностью; все остальные длины выводятся тригонометрическими вычислениями из них и углов. Быстрая проверка точности обеспечивается путем измерения всех трех углов каждого треугольника, которые должны складываться до 180 градусов.
В небольших плоских областях, работающих в больших масштабах, может быть легче измерить длину всех сторон, используя ленту или цепь, а не углы между ними; эта процедура, называемая трилатерацией, была непрактична на больших или холмистых областях до изобретения электромагнитного измерения расстояния (EDM) в середине 20-го века. Эта процедура позволила измерять расстояния так же точно и легко, как и углы, с помощью электронного хронометража прохождения излучения по измеряемому расстоянию; микроволны, которые проникают сквозь атмосферную дымку, используются на больших расстояниях, а световое или инфракрасное излучение-на коротких. В устройствах, используемых для ЭДМ, излучение представляет собой либо свет (генерируемый лазером или электрической лампой), либо сверхвысокочастотный радиолуч. Световой луч требует четкой линии визирования; радиолуч может проникать сквозь туман, дымку, сильный дождь, пыль, песчаные бури и некоторую листву. Оба типа имеют передатчик-приемник на одной обзорной станции. На удаленной станции световой тип содержит набор угловых зеркал; высокочастотный тип включает в себя ретранслятор (требующий оператора), идентичный передатчику-приемнику на исходной станции. Угловое зеркало имеет форму внутренней части угла куба; оно возвращает свет к источнику под любым углом, под каким бы он ни был получен, в разумных пределах. Ретранслятор должен быть направлен на передатчик-приемник.
В обоих типах приборов расстояние определяется временем, за которое радиолуч или световой луч проходит до цели и обратно. Прошедшее время определяется сдвигом фазы модулирующего сигнала, наложенного на несущий пучок. Электронные схемы обнаруживают этот сдвиг фазы и преобразуют его в единицы времени; использование более чем одной модулирующей частоты устраняет неоднозначности, которые могли бы возникнуть, если бы использовалась только одна частота.
ЭДМ значительно упростило альтернативный метод, называемый обход, для создания рамок. Во время прохождения геодезист измеряет последовательность расстояний и углов между ними, как правило, вдоль пройденного маршрута или потока. До появления EDM траверсирование использовалось только в равнинных или лесных районах, где триангуляция была невозможна. Измерение всех расстояний с помощью ленты или цепи было утомительным и медленным, особенно если требовалась большая точность, и никакой проверки не было достигнуто, пока траверс не закрылся сам по себе или между двумя точками, уже зафиксированными триангуляцией или астрономическими наблюдениями.
Как при триангуляции, так и при траверсировании необходимо учитывать наклон каждой измеренной линии, чтобы карту можно было свести к горизонтали и отнести к уровню моря. Измерительная лента может быть натянута вдоль земли или подвешена между двумя штативами; при точной работе необходимо применять поправки на провисание, натяжение и температуру, если они отличаются от значений, при которых лента была стандартизирована. В работах высшего порядка, известных как геодезические, погрешности должны быть сведены к одному миллиметру в километре, то есть к одной доле в 1 000 000.
Теодолит
Хотя для эскиз-карт компас или графические методы приемлемы для измерения углов, только теодолит может обеспечить необходимую точность в рамках, необходимых для точного картографирования. Теодолит состоит из телескопа, вращающегося вокруг горизонтальной и вертикальной осей, так что он может измерять как горизонтальные, так и вертикальные углы. Эти углы считываются с окружностей, градуированных в градусах, и с меньшими интервалами в 10 или 20 минут. Точное положение индексной метки (показывающей направление прямой видимости) между двумя из этих градаций измеряется с обеих сторон круга с помощью нониуса или микрометра. Точность современных геодезических приборов первого порядка с пятидюймовыми стеклянными кругами составляет примерно одну секунду дуги, или 1/3 600 градуса. С помощью такого прибора боковое перемещение цели на один сантиметр можно обнаружить на расстоянии двух километров. Повторяя измерение целых 16 раз и усредняя результаты, можно более точно измерить горизонтальные углы; в геодезической съемке измерения всех трех углов треугольника, как ожидается, дают сумму 180 градусов в течение одной секунды дуги.
В наиболее точных дальних работах в качестве мишеней для теодолита используются сигнальные лампы или гелиографы, отражающие солнце. Для менее требовательной работы и работы на более коротких расстояниях можно использовать меньшие теодолиты с более простыми системами считывания; мишени обычно представляют собой полосатые шесты или дальномерные стержни, удерживаемые вертикально помощником.
Обширная совокупность этих измерений создает сеть точек как на карте, где их положение определяется их координатами, так и на земле, где они обозначаются столбами, бетонными отметками грунта, болтами, впущенными в тротуар, или деревянными колышками различной степени стоимости и постоянства, в зависимости от важности и точности каркаса и карт, которые должны быть основаны на нем. После того, как эта структура была установлена, геодезист приступает к детальному картографированию, начиная с этих наземных отметок и зная, что их точность гарантирует, что полученные данные будут точно соответствовать аналогичным деталям, полученным в других частях структуры.
Детальная съемка
Фактическое изображение объектов, которые должны быть показаны на карте, может быть выполнено либо на земле, либо, начиная с изобретения фотографии, авиации и ракетостроения, путем интерпретации аэрофотоснимков и спутниковых изображений. На земле каркас расчленяется на еще более мелкие участки по мере того, как геодезист перемещается из одной точки в другую, фиксируя дальнейшие точки на объектах из каждой позиции с помощью комбинаций измерения угла и расстояния и, наконец, рисуя объекты между ними от руки. В сложных условиях местности эта операция может быть медленной и неточной, как это видно из сравнения карт, сделанных на земле, с теми, которые были сделаны впоследствии на основе аэрофотоснимков.
Однако наземная съемка все еще должна использоваться для некоторых целей; например, в районах, где трудно получить аэрофотоснимки; под пологом леса, где требуется форма Земли, а не верхушки деревьев; при очень крупномасштабных работах или близком контурировании; или если объекты, подлежащие нанесению на карту, нелегко опознать на аэрофотоснимках, как это имеет место с границами собственности или зонами перехода между различными типами почвы или растительности. Одно из двух фундаментальных различий между наземной и воздушной съемкой заключается в том, что, как уже упоминалось, наземная съемка интерполирует или делает наброски между фиксированными точками, в то время как воздушная съемка с помощью полуавтоматических приборов может непрерывно отслеживать объекты, как только известны положения фотографий. Одним из последствий этого является отображение объектов в однородных деталях, а не на коротких отрезках между точками, зафиксированными в наземной съемке.
Второе отличие заключается в том, что при наземной съемке для горизонтальных и вертикальных измерений могут применяться различные методы и точность, причем последние обычно являются более точными. Точные определения высот необходимы для инженерных и планировочных карт, например, для железнодорожных уклонов или особенно для ирригационных или дренажных сетей, поскольку вода в открытых каналах не течет вверх по склону.
Методы, используемые для фиксации местоположений в рамках горизонтальной детализации, аналогичны, но менее точны, чем методы, используемые для первичной структуры. Углы могут быть измерены с помощью ручного призматического компаса или графически с помощью плоского стола, или они могут быть оценены как прямые углы в случае точек, которые смещены на короткие расстояния от прямых линий между уже фиксированными точками. Точки детализации могут быть расположены по их расстояниям от двух неподвижных точек или по расстоянию и азимуту только от одной.
Землемер может записывать измерения, сделанные в полевых условиях, и затем делать их на доске для эскизов или в офисе, но если местность открытая и холмистая или даже гористая, то плоская таблица предлагает лучший способ записи данных. Недостатком плоскостной работы является то, что она не может быть проверена в офисе, и поэтому требует большего интеллекта и добросовестности геодезиста. Плоскостная таблица достигла своей наиболее эффективной формы использования в обследовании Индии, начатом в 1800 году, в котором большие площади были нанесены на карту с помощью специальных индийских геодезистов. Он состоит из плоской доски, которая установлена на треноге так, чтобы ее можно было зафиксировать или повернуть вокруг вертикальной оси. Он устанавливается над точкой каркаса или одним концом измеряемой базовой линии с горизонтальной поверхностью (которая покрыта бумагой или другим чертежным носителем). Он поворачивается до тех пор, пока линия, соединяющая его местоположение с другой точкой каркаса или другим концом базовой линии, не станет параллельной той же линии, что и нарисованная на бумаге. Это выравнивание выполняется с помощью алидады, или правила визирования, прямой линии, снабженной простыми прицелами. Затем алидада направляется к точкам на объектах, которые должны быть зафиксированы, и карандашные лучи рисуются вдоль правила визирования к ним. Процедура повторяется в другой точке каркаса или на другом конце базовой линии; точки, в которых лучи пересекаются на таблице, будут являться позициями объектов на карте.
В геодезии для инженерных проектов используются более сложные инструменты, позволяющие добиться максимальной точности. Например, расстояния могут быть измерены с помощью ЭДМ или тахиметрии, геометрического метода, в котором вертикальное расстояние на градуированном вертикальном посохе, видимое между двумя стадиями волосков в окуляре теодолита, является мерой горизонтального расстояния между теодолитом и посохом-обычно в 100 раз больше разницы между двумя показаниями. Этот метод требует, чтобы по крайней мере один помощник перемещал персонал с места на место. Современные геодезические приборы объединяют в себе теодолит, ЭДМ-оборудование и компьютер, который записывает все наблюдения и вычисляет перепады высот, полученные при измерении вертикальных углов.
Аэросъемка
Авиация и фотография произвели революцию в детальном картографировании объектов, видимых с воздуха. Однако аэрофотосъемка-это не карта. Например, в случае здания парламента и Вестминстерского моста в Лондоне вершины башен при нанесении на карту совпадали бы с углами фундаментов. На аэрофотоснимке, однако, они бы этого не сделали, будучи смещены радиально от центра. Важным свойством вертикальных аэрофотоснимков является то, что углы правильно представлены в их центрах, но только там. Подобные искажения присутствуют и на фотографиях холмистой местности. Эта проблема может быть решена двумя основными способами, в зависимости от относительных масштабов карты и фотографий, а также от того, требуются ли контуры на карте. Более старый метод, пригодный для составления планиметрических карт в масштабах меньших, чем фотографии, широко использовался во время и после Второй мировой войны для картографирования больших районов пустынной и малонаселенной страны; горные районы можно было зарисовать, но рельеф не был точно показан.
Как и при наземной съемке, прежде чем можно будет провести детальное картографирование с воздуха, необходимо составить схему выявленных точек. Фотографии обычно делаются вертикально выровненной камерой в виде ряда полос (см. Рис. 1), в которых каждая фотография перекрывает примерно 60 процентов предыдущей; соседние полосы перекрываются лишь незначительно. Эти перекрытия позволяют собрать структуру низкого порядка или систему управления, основанную на небольших, узнаваемых особенностях, которые появляются более чем на одной фотографии. В простейшей форме этой процедуры каждая фотография заменяется прозрачным шаблоном, на котором рисуются лучи (или вырезаются щели) от центра изображения до выбранных объектов. Углы между этими лучами или пазами являются правильными, и прорезанные шаблоны могут быть установлены вместе, вставив шпильки, которые представляют объекты, в соответствующие пазы и сдвинув шаблоны так, чтобы каждая шпилька входила в пазы на всех изображениях, показывающих соответствующий объект. Эта операция гарантирует, что центры изображений и выбранные объекты находятся в правильном соотношении. Массив перекрывающихся фотографий может быть расширен или сужен путем перемещения их по рабочей поверхности до тех пор, пока шпильки остаются включенными в пазы, так что сборка может быть расположена, ориентирована и масштабирована, установив ее по меньшей мере в двух—предпочтительно нескольких—контрольных точках Земли, определенных на разных фотографиях.
Эта техника может быть расширена с помощью двух дополнительных камер, по одной с каждой стороны, направленных под прямым углом к линии полета и на 30 градусов ниже горизонтали. Фотографии, сделанные боковыми камерами, перекрывают фотографии, сделанные вертикальными камерами, а также включают горизонт; эффект заключается в расширении полосы покрытия Земли и, таким образом, в уменьшении необходимого количества полетов. Точки На заднем плане косых фотографий могут быть включены в перекрывающийся массив, как и раньше, чтобы связать соседние траектории полета вместе. Фотографирование с высоко летящих реактивных самолетов и спутников сделало эту технику устаревшей, но до того, как эти достижения были достигнуты, она значительно облегчила картографирование слаборазвитых районов.
Для получения карт с точными контурами в масштабах, в пять-шесть раз превышающих размеры фотографий, необходим более сложный подход. Усилия по наземной съемке должны быть расширены, чтобы обеспечить высоту, а также положение всех объектов, используемых для создания каркаса.
В этом методе детали внутри каждого сегмента карты основаны не на отдельных фотографиях, а на наложении двух последовательных снимков в одной полосе, исходя из положения и высоты объектов в углах каждой области. Трехмерная модель может быть создана путем просмотра каждой пары последовательных фотографий в стереоскопе; манипулируя специально разработанным графическим инструментом, область перекрытия может быть правильно расположена, масштабирована и ориентирована, а высота точек внутри нее может быть получена из высоты четырех угловых точек. Эти фотограмметрические инструменты построения графиков могут принимать несколько форм. В проекционных приборах фотографии проецируются на стол в разных цветах, так что через очки с линзами дополнительных цветов каждый глаз видит только одно изображение, и оператор визуализирует трехмерную модель Земли. Стол или валик с освещенным пятном посередине можно перемещать вокруг модели и поднимать или опускать так, чтобы пятно казалось соприкасающимся с землей, в то время как оператор сканирует любой объект, даже если он расположен на крутом склоне холма. Карандаш непосредственно под пятном затем рисует точную форму и положение объекта на карте. Для оконтуривания валик фиксируется на выбранной высоте (в масштабе, приспособленном к масштабу модели), и пятну разрешается касаться поверхности модели везде, где оно будет; затем карандаш рисует контур.
При использовании более сложных механических устройств лучи света, достигающие самолета, делающего две фотографии, представлены стержнями, встречающимися в точке, представляющей положение рассматриваемого объекта модели. С помощью сложной системы призм и линз оператор, как и с проекционными приборами, видит пятно, которое может быть перемещено в любом месте перекрытия и вверх или вниз, чтобы коснуться поверхности модели, как описано выше. Механическая или электронная система перемещает карандаш в соответствующее положение на графическом столе, к которому прикреплена рукопись карты.
С компьютеризированными аналитическими приборами механическая операция ограничивается измерением координат на двух фотографиях, а преобразование в трехмерную модель выполняется полностью компьютером. С помощью наиболее точных графических инструментов любого типа можно нарисовать карту в четыре-шесть раз больше масштаба фотографий и точно построить Контуры на вертикальном интервале примерно в одну тысячную высоты, с которой были сделаны фотографии. С помощью таких аналитических инструментов запись может храниться как в цифровой, так и в графической форме, чтобы впоследствии быть нанесенной на карту в любом удобном масштабе.
Все эти методы создают линейную или рисованную карту; некоторые из них также создают файл данных на диске или ленте, содержащий координаты всех линий и других объектов на карте. С другой стороны, аэрофотоснимки могут быть объединены и напечатаны непосредственно для формирования фотокарточки. Для плоских участков эта операция требует простого вырезания и склеивания фотографий вместе в мозаику. Для большей точности центры фотографий могут быть выровнены с помощью щелевых шаблонов, как описано выше, чтобы создать фотокарточку, называемую контролируемой мозаикой.
Гораздо более точная методика основана на использовании ортофотоскопа. С помощью этого устройства перекрывающиеся фотографии используются точно так же, как и в уже описанном стереоскопическом плоттере, но инструмент, а не ручная трассировка объектов и контуров, сканирует перекрытие и создает ортофотограф, разделяя область на небольшие участки, каждый из которых правильно масштабируется. Эту процедуру лучше всего применять на участках с низким рельефом без высотных зданий; полученные карты затем могут быть заменены линейными картами в сельских районах, где они особенно полезны при планировании переселения в рамках сельскохозяйственных проектов. Поскольку никакого честного рисунка не требуется, окончательная печатная карта может быть получена гораздо быстрее и дешевле, чем это было бы возможно в противном случае.
Гидрография
Топографическая съемка подводных объектов, или гидрографическая съемка, ранее требовала методов, весьма отличных от наземной съемки, по двум причинам: геодезист обычно двигался, а не стоял неподвижно, и нанесенная на карту поверхность не была видна. Первая проблема, затрудняющая установление рамок, кроме как вблизи суши или в мелководных районах, решалась путем мертвого счета между точками, установленными астрономическими фиксированиями. По сути дела, траверс будет проходить с учетом пеленга судна, измеренного компасом, и расстояний, полученных либо путем измерения скорости и времени, либо с помощью современного журнала, который непосредственно записывает расстояния. Они должны быть проверены часто, потому что, как бы ни были точны журнал или указатель скорости полета и компас, след корабля или самолета не совпадает с его курсом. Поперечные течения или ветры постоянно сбивают судно с курса, а те, что идут вдоль курса, влияют на скорость и расстояние, проходящие по земле внизу.
Единственный способ, с помощью которого гидрограф мог составить карту морского дна до появления подводного Эхо-зондирования и телевидения, состоял в том, чтобы через определенные промежутки времени выбрасывать за борт зондирующую линию со свинцовым грузом на конце и измерять длину этой линии, когда груз достигнет дна. Линия была обозначена саженями, то есть единицами в одну тысячную морской мили, или примерно в шесть футов (1,8 метра).
Зондирование свинцовой линией, очевидно, происходит очень медленно, особенно в глубоких водах, и введение Эхо-зондирования в начале 20-го века ознаменовало собой значительное улучшение. Это стало возможным благодаря изобретению электронных приборов для измерения коротких промежутков времени. Эхо-зондирование зависит от времени промежутка между передачей короткого громкого шума или импульса и его возвращением от цели—в данном случае дна моря или озера. Звук распространяется в воде со скоростью около 5 000 футов (1500 метров) в секунду, так что точность измерения временных интервалов в несколько миллисекунд дает глубину в пределах нескольких футов.
Температура и плотность воды влияют на скорость, с которой звуковые волны проходят через нее, и необходимо учитывать изменения этих свойств. Отраженные сигналы записываются несколько раз в секунду на движущуюся полоску бумаги, показывая масштабирование глубины под гусеницей корабля. Эхо может также показать другие объекты, такие как косяки рыб, или они могут показать двойственную природу дна, где слой мягкой грязи может лежать поверх скалы. Первоначально измерялась только глубина, которая была непосредственно под кораблем, оставляя промежутки между следами корабля. Более поздние изобретения, включающие в себя боковые гидролокаторы и телевизионные камеры, позволили заполнить эти пробелы. В то время как измерения глубин вдали от следа судна не столь точны, снимки показывают любые опасные объекты, такие как скальные вершины или обломки, и тогда исследовательское судно может быть перенаправлено для их детального изучения.
Современные методы определения местоположения с помощью радиолокатора значительно упростили весь процесс, так как местоположение судна теперь известно непрерывно по фиксированным станциям на берегу или по спутниковым следам. Еще одним современным методом является использование снимков, сделанных с самолетов или спутников, чтобы указать на наличие и форму мелководных участков и помочь в планировании их детального обследования.
Альтернативой использованию радиолокационных или спутниковых сигналов для непрерывной и автоматической регистрации положения судна является применение инерциальных систем наведения. Эти устройства, разработанные для удовлетворения военных потребностей, обнаруживают каждое ускорение, связанное с движением корабля от его известной начальной точки, и преобразуют их и прошедшее время в непрерывную запись пройденного расстояния и направления.
Для детального изучения морского дна дно зондирующего свинца было выдолблено, чтобы держать заряд смазки, чтобы забрать образец с морского дна. Сегодня телевизионные камеры могут быть опущены, чтобы передавать изображения обратно на разведывательный корабль, хотя их дальность действия ограничена степенью проникновения света в воду, которая часто бывает мутной. Обычные камеры также используются попарно для получения стереоскопических снимков подводных сооружений, таких как буровые установки или обломки древних кораблей.
Определение высоты
Высоты поверхностных объектов над уровнем моря определяются четырьмя основными способами: спиртовым нивелированием, измерением вертикальных углов и расстояний, измерением перепадов атмосферного давления и, начиная с конца XX века, использованием трехмерных спутниковых или инерциальных систем. Из них первый-самый точный; второй-следующий по точности, но более быстрый; третий-наименее точный, но может быть самым быстрым, если измерять высоту в хорошо разделенных точках. Последние два метода требуют сложного оборудования, которое все еще очень дорого.
При нивелировании спирта землемер на протяжении веков использовал геодезический уровень, который состоит из горизонтального телескопа, снабженного поперечными волосками, вращающегося вокруг вертикальной оси на треноге, с очень чувствительным спиртовым уровнем, закрепленным на нем; прибор настраивается до тех пор, пока пузырь точно не центрируется. Показания на градуированном вертикальном посохе наблюдаются через телескоп. Если такие посохи расположены на последовательных наземных точках, а телескоп действительно находится на одном уровне, то разница между показаниями на перекрестьях будет равна разнице между высотами точек. Перемещая уровень и посохи попеременно вдоль пути или дороги и повторяя эту процедуру, различия в высоте могут быть точно измерены на больших горизонтальных расстояниях.
В самой точной работе на расстоянии 100 километров погрешность может быть меньше сантиметра. Чтобы достичь такой точности, нужно быть очень осторожным. Прибор должен иметь телескоп с большим увеличением и очень чувствительный пузырь, а градуированная шкала на посохе должна быть сделана из полосы Инвара (сплава с очень малым коэффициентом теплового расширения). Кроме того, посохи должны быть размещены на колышках или специальных тяжелых стальных пластинах, а расстояние между ними и уровнем всегда должно быть одинаковым, чтобы отменить эффекты воздушного преломления света.
В менее точных работах может использоваться один деревянный посох; для детального выравнивания небольшой площади посох перемещается из одной точки в другую без перемещения уровня, так что высота может быть измерена в радиусе около 100 метров. Расстояния между этими точками от прибора могут быть измерены с помощью магнитофонной ленты или, что более распространено, путем записи не только показаний на центральном перекрестии волосков в поле зрения телескопа, но и тех, что находятся на стадиях волосков, то есть с помощью тахиметрии, как описано выше. Пеленг каждой точки наблюдается по компасу или по горизонтальной окружности уровня, так что он может быть нанесен на карту или нарисован на карте.
Начиная с 1950-х годов были введены уровни, в которых линия визирования автоматически выравнивается путем прохождения через систему призм в маятнике, что избавляет от необходимости проверять пузырь. Недостатком спиртового выравнивания является большое количество раз, когда инструмент приходится перемещать и перестраивать, особенно на крутых холмах; он используется в основном вдоль практически плоских участков земли.
Для более быстрой работы в холмистых районах, где обычно приемлема более низкая точность, используется тригонометрическое определение высоты с помощью теодолита для измерения вертикальных углов и измерения или вычисления расстояний с помощью триангуляции. Эта процедура особенно полезна для получения высот по всей основной системе триангуляции или траверса, где большинство точек находятся на вершинах холмов. Для повышения точности наблюдения проводятся одновременно в обоих направлениях, так что преломление воздуха исключается; это делается предпочтительно около полудня, когда воздух хорошо перемешан.
Третий метод определения высоты зависит от измерения перепадов атмосферного давления с помощью чувствительного анероидного барометра, который может реагировать на перепады давления, достаточно малые, чтобы соответствовать одному или двум футам (0,3-0,6 метра) в высоту. Однако давление воздуха постоянно меняется, и для получения достоверных результатов необходимо использовать по крайней мере два барометра; один из них в контрольной точке известной высоты считывается через равные промежутки времени, в то время как геодезист проходит по всей площади, записывая местоположение, время и показания барометра. Сравнение показаний, сделанных в одно и то же время, затем дает разность высот. Альтернативой барометру для измерения давления является прибор для измерения температуры кипения жидкости, поскольку эта температура зависит от атмосферного давления. Ранние исследователи определяли высоту таким образом, но результаты были очень грубыми; этот метод не был достаточно точен для геодезистов, пока не были разработаны чувствительные методы измерения температуры. Бортовой самописец профиля представляет собой комбинацию этого усовершенствованного аппарата с радиолокационным высотомером для измерения расстояния до земли под самолетом.
Анализ сигналов, поступающих одновременно с нескольких спутников, дает высоту так же точно, как и положение. Высоты, определенные таким образом, полезны в ранее не нанесенных на карту областях в качестве проверки результатов, полученных более быстрыми относительными методами, но они недостаточно точны для картографирования развитых областей или для инженерных проектов. Вездеходы или вертолеты могут нести инерциальные системы, достаточно точные, чтобы обеспечить приблизительные высоты, пригодные для аэрофотосъемки больших территорий в рамках точек, установленных более точно путем спиртового нивелирования.
