Геодезия, картография и gps системи - лекционен курс

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 1 -

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 2 -

Магистърска
програма:
ВЪЗОБНОВЯЕМИ ЕНЕРГИЙНИ ИЗТОЧНИЦИ И ЕНЕРГИЙНА
ЕФЕКТИВНОСТ
Физика на земята
Степен на обучение: Магистър
Тип на курса: Избираем, 1 курс, семестър 1 Задължителен, 1 курс,
семестър 2
Кредити: 4 / 5
Хорариум: Лекции: 30 часа / 45 часа
Семинари: 20 часа / 20 часа
Лабораторни: 0 часа / 0 часа
Извънаудиторна заетост: 70 часа / 85 часа


КОНСПЕКТ:
1. Въведение в дисциплината – дефиниции за геодезия, картография и GPS системи.
Исторически бележки и съвременни перспективи.
2. Форма на Земята – линии и плоскости на Земния елипсоид. Понятие за Геоид.
3. Определяне положението на точка от Земната повърхност:
3.1. Астрономически координати
3.2. Геодезически координати
3.3. Правоъгълна координатна система – правоъгълни координати
3.4. Полярни координати
3.5. Връзка между различните видове координатни системи.
4. Метод на проекциите:
4.1. Централна проекция
4.2. Успоредна проекция
4.3. Хоризонтална проекция
5. Изкривяване на координатите при замяна на сферичните с плоскостни координати – в
хоризонтално и вертикално направление.
6. План, карта, въздушна (сателитна) снимка.
7. Топографски карти и планове.
7.1. Координатна мрежа
7.2. Мащаби на топографските карти
7.2. Разграфка и номенклатура
8. Картографска генерализация. Условни знаци при топографските карти и планове.
9. Изобразяване на релеф върху карти и планове.
10. Време – основни моменти. Часовници и честотни стандарти.
10.1 Aстрономическо и универсално време.
10.2 Атомно време
10.3 Ефемеридно, динамично и земно време
11. Преминаване на сигнали през йоно- и тропосферата.
12. Концепция за сателитно отчитане на координати от Земната повърхност.
13. Global Positioning System (GPS) – основи. Космически, контролен и потребителски
сегмент. Техники за практически измервания.
14. Източници на грешки при GPS измервания.
15. Приложение на GPS системите.

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 3 -
1. Въведение в дисциплината – дефиниции за геодезия, картография и GPS системи.
Исторически бележки и съвременни перспективи.

В последните десетилетия един нов метод за получаване и предаване на информация доби
съществена роля в нашето ежедневие. Става дума за сателитните снимки и предаването чрез
сателити на информация. Подобен подход се прилага в метеорологията, картографирането,
астрономията, в радиото и телевизията, телефонията, изследването на възобновяеми енергийни
източници и редица други. Благодарение на това науките геодезия и картография, лежащи в основата
на съвременните сателитни системи, стават неизменна част от необходимите знания за постоянно
разширяващ се кръг от учени.
Нека започнем с описание на науката геодезия. Думата геодезия (γεωδαισία – geodaisia) има
гръцки произход и в превод на български
означава „разделяне на Земята”.
Следователно, науката е пряко свързана с
човешката дейност и по-конкретно с
използването на земята за земеделие,
животновъдство, различни производства или
строителство.
Смята се, че още в древните
Асировавилония и Египет геодезическите
измервaния са били редовна практика. Тя
била свързана главно с възстановяването на
границите на земите на отделните владетели
след годишните приливи и отливи на река
Нил. Доказателство за важността на
геодезическите измервания в Египет са
намерените древни градове с правилна геометрична (правоъгълна) планировка, ориентирането на
пирамидите по четирите основни посоки на
Земята и сложните напоителни и
хидротехнически системи.
За баща на науката геодезия се смята
Ератостен (276 г. пр.н.е. – 194 г. пр.н.е., в гр.
Cyrene днешен Shahhat, в Либия [1]) Фиг. 1,
който е бил третият директор на библиотеката в
Александрия и е астрономът, измерил за първи
път размерите на Земята. Оригиналните му
трудове не са достигнали до нас, но косвени
източници доказват, че той е писал трактати по
тази тема, като например един, озаглавен
„Относно измерванията на Земята”.
Ератостен забелязал, че по пладне (точно
на обяд) в деня на лятното слънцестоене (на 22.06), кладенците в Асуан нямат сянка. Това той отдал

Фигура 1. Портрет на Ератостен [2]
qq
q
H
d
R
l
Aсуан
Александрия

Фигура 2. Чертеж на Ератостен

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 4 -
на косото падане на слънчевите лъчи в града. В същия този ден Ератостен измерил дължината на
сянката на прочутата кула в Александия и с помощта на подходящо геометрично построение (Фиг. 2)
определил радиуса на Земята. Разбира се, той предположил, че Земята има кръгла форма и че
Александрия и Асуан лежат на един и същи меридиан (т.е. са точно един под друг ако гледаме от
полюса). При тези предположения и двата града са просто точки, лежащи на една и съща окръжност.
Ератостен взел пълната дължина на окръжността
RS
p2= и я сравнил с ъгъла, който отговаря на
тази дължина (360
о
). Същото съотношение трябва да се получи между коя да е дъга (l) и
съответстващия ú ъгъл (qqqq), като:

oo
lR
q
p
=
360
2
,
което е равносилно на:
R
l
o
=q (1)

На фигура 2 е показано такова просто геометрично построение, като l е разстоянието от
Александрия до Асуан, а R e радиусът на Земята. Ако разгледаме триъгълника, образуван от
височината на кулата, дължината на сянката (d) и падащия лъч светлина, то:
qtg
d
H
=

и като заместим от (1) се получава:

R
l
d
H
»


Височината на кулата в Александирия (H) е била известна, разстоянието от Александрия до Асуан (l)
също, измерена е била дължината на сянката на кулата (d), като от тези данни радиусът на Земята
(R) се изчислява, като:
H
dl
R
.
»

Разстоянието между двата града било оценено на 50 000 гръцки стадия (1 стадий = 185 метра),
ъгълът бил оценен на 7,2
о
и Ератостен получил стойност:

][25046 kmR»


Понастоящем геодезия се числи към науките за Земята и се занима с измерването на формата
и размерите на Земята и тяхното изобразяване, като се отчита реалната форма на планетата и
гравитационното ú поле. В допълнение, предмет на геодезията е намирането на методи за измерване

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 5 -
на повърхността на Земята (на суша или под вода), под земната повърхност, в околоземното
пространство, както и на други планети.
Геодезията се разделя на няколко основни дяла:
- Висша геодезия, която се занимава с глобални измервания на Земята (обикновено с размери
над 500 м
2
), като се взема предвид кривината на Земната повърхност.
- Практическа (инженерна) геодезия, при която се измерват по-малки по площ и специфични
части и региони на Земята, като кривината може да се пренебрегне, тъй като тя не оказва
практическо значение.
- Космическа геодезия, чиято задача е определянето на разстоянията между отдалечени една
от друга точки на Земната повърхност и изучаване на промяната във формата на Земята с времето (с
помощта на сателитни изследвания).
- Физическа геодезия – изследва физичните свойства на гравитационното поле на Земята и
Геопотенциала от гледна точка на тяхното приложение в геодезията.
- Картографията (идва от гръцката дума: Χάρτης- харта, чартах - означаваща папирус и
„графос” – чертая) в началото е била част от геодезията, но с възникването на необходимостта от
различни по вид и свойства карти, тя се обособява като отделна

наука. Има за основна цел създаването, изучаването и разработването на карти.
Хората винаги са чувствали необходимостта от изобразяване на обкръжаващата ги среда, за
ориентация при ловуване, намиране на вода и пасища, да се предпазват от враждебни съседни
племена и т.н. По тази причина картите са съществували още от дълбока древност (Фиг. 3
), като
дори и първобитните хора са използвали някакъв примитивен вид карти. В Европа картографията се

А

Б


Фигура 3. Древни карти: А) План на град, изработен на глинена плочка,
Месопотамия, XV в. пр.н.е. [3]; Б) Египетски рай, „тръстиково поле”,
изработена от смола (2500 в. пр.н.е.) [4]

Лекционен курс: Геодезия, картография и GPS системи
- 6 -
развива много интензивно с разширяване на географските ни познания, започнало във времето на
великите географски открития през 16 век, свързани с откриването главно на Азия и Америка. В
България първата карта е изработена през 1843 година от Александър Хаджи Руссет в мащаб 1:
1 655 000 за нуждите на образованието. Неофит Рилски пък създава първия български глобус през
1839 година.
В съвременността картите са тематични, като освен такива изобразяващи релефа съществуват
и други показващи различни аспекти от съвременния ни живот, например политически (показващи
границите на страните), изобразяващи гъстотата на населението или народностите, с изобразен
животински или растителен свят, с полезни изкопаеми, показващи температурите или налягането и
много други.
Картографията е наука, свързана както с математиката и астрономията, така и с изкуството. До
голяма степен крайния вид на картите зависи и от естетическото усещане и разбиране на техните
съставители. Картите съчетават в себе си точност, практичност и красота.
Обект на картографията могат да бъдат цялата земна повърхност, материците, или отделните
държави, или местностите.
Основни дялове на картографията са [3, 4]:
- картознание, която изучава предмета и методите на картографията, определянето и
свойствата на картата и другите картографски произведения, картографски методи на изобразяване,
теория на картографската генерализация. Този раздел включва и история на картографията;
- математическа картография, която си служи с математически методи за изобразяване на
земната сфера, или земния елипсоид, чрез картографски проекции и се занимава с тяхното
изчисляване, с построяване на картографската мрежа от меридиани и паралели и др. условни линии,
служещи за съставяне скелета на картите;
- практическа картография, която се занимава със съставяне, редактиране и оформяне на
картите и разработване на методите и техническите начини за попълване на мрежата от паралели,
меридиани и др. условни линии (щрихи, цветове, шрифтове) с елементите от съдържанието на
картите;
- отпечатване и издаване на карти, което касае възпроизвеждането на картния оригинал,
свързано с методите за фоторепродукция, копиране и печатане.

GPS (Global Positioning System) е връзката между минало, настояще и бъдеще. В превод GPS
означава глобална позиционираща система. Първата глобална навигационна сателитна система е
разработена по програма на правителството на САЩ с дв