Задачи и перспективы применения лазерного сканирования для целей топографического картографирования и кадастра
УДК 528 (091), 528 (092)
«ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ» И «ГЕОФИЗИЧЕСКОЕ» В ГЕОДЕЗИИ
Георгий Николаевич Тетерин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г.Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры высшей геодезии СГГА, тел. (383)343-29-11
Обсуждается проблема содержания и соотношения геометрического и геофизического знания в геодезии, ее предметной и объектной составляющих, роли такого знания в формировании ее современных задач.
Ключевые слова: геодезия, ориентация, геометрия пространства, геофизические принципы, фигура Земли.
«GEOMETRICAL» AND «GEOPHYSICAL» IN GEODESY
Georgy N. Teterin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo
St., Ph.D., Prof., the department of Higher Geodasy SSGA, tel. (383)343-29-11
The article is devoted to the problem of content and correlation of geometrical and geophysical knowledge, its subject and object components and the role of such knowledge in the formation of its modern objectives.
Keywords: geodesy, orientation, space geometry, geophysical principles.
В более обобщенном плане проблему можно было бы поставить как «геометрическое» и «физическое» в геодезии». И это было бы правильнее. Но соответствующая проблема, поднимаемая в печати, имеет формат заголовка этой статьи с акцентом на второй составляющей («геофизической»).
Следует отметить, что данный предмет обсуждения является также одной из важнейших методологических проблем установления границ между смежными науками. В нашем случае речь идет о принципе разделения геодезии и геофизики. В проблеме «физическое» – «геометрическое» очевидна их глубокая взаимосвязь и взаимозависимость. «Физическое» и «геометрическое» составляют главную предметную основу соответствующих наук. Для геодезии именно «геометрическое» в течение всей истории характеризовало ее предмет развития. Вместе с тем, обсуждение влияния «геофизического» на «геометрическое» полезно. Смежные границы наук являются подчас особо плодотворными в решении проблем и задач их развития, формировании новых методов и средств решения проблем.
Несомненно, речь идет о происходящих и постоянно действующих явлениях, отражающих законы природы земных и космических процессов. В этих процессах проявляется существо связи «геометрического» и «физического», предопределяющих ход развития естественных процессов в окружающем мире и тем самым возможность приспособления к ним и выживания.
Во всем этом главным условием является определение возможных ориентиров, которые позволяют с помощью геометрических факторов характеризовать цепочку причинно-следственных явлений. Соотношение «физического» и «геометрического» в геодезии никого не интересовало, этот вопрос не дискутировался в какой-либо мере до середины XX в. Теперь же (по существу, с конца XX в.) решение проблемы соотношения «геометрического» и «геофизического» в определенной степени стало одной из серьезных методологических задач в геодезии. Доказательством этого являются статьи, публиковавшиеся в печати в последние 2-3 десятилетия, в которых делался определенный акцент на «геофизическое» по сравнению с «геометрическим». Особенно это заметно в работах [9, 10], в которых эволюция геодезии начинает интерпретироваться преимущественно в «геофизическом» смысле. Более того, геодезию предлагается понимать и определять в прямой зависимости от этого. По существу, уже с середины XX в. понимание геодезии (и не только высшей) прямо связывается с внешним гравитационным полем. Особенно следует заметить, что в какой-то мере геометрический аспект (концепция) в ряде работ, в том числе в [9, 10], рассматривается как второстепенное или вообще отвергается. В работе [10] утверждается, что «геометризация» не может быть принята в геодезии.
В данной статье поставлена задача определить действительное соотношение между «геофизическим» и «геометрическим» в геодезии, как в истории, так и в целом в науке (в системе знаний). Помимо этого попутно устанавливаются принципы влияния внешней среды (а в сущности геофизического) на результаты геодезической деятельности.
Формирование геометрических (в том числе геодезических знаний) в истории человечества проходило под влиянием внешней среды и «устройства» (физиологии) самого человека. Именно эти два обстоятельства (основополагающие причины) определяли эволюцию, развитие геодезии. В глубоком прошлом предыстории человека, в его жизни, приспособлении и выживании во внешней среде важнейшим фактором понимания мира была информация о форме, размерах и пространственном положении объектов и явлений окружающей среды. Именно это являлось исходной точкой в логике причинно-следственных пространственных решений человека и общества.
Вся деятельность человека проходит в пространстве и времени. Поэтому для него наиболее важным является ориентация. Поскольку человек 90 % информации получает через зрение, то естественно, важнейшей ее частью становится «геометрическая». В этой информации особенно существенными являются данные о форме, размере и пространственном положении (ФРПП) объектов и явлений окружающей среды. Эта информация характеризует возможность ориентации как в пространстве, так и во времени. Совокупность ФРПП определяет ориентацию человека в пространстве, а значит, всю его деятельность в этом пространстве. Ориентация есть важнейшая функция организации. Основой последней является геометрия объектов и явлений этого пространства.
В геодезии все задачи решаются в зависимости от ориентации и в рамках ориентации: инструменты (измерения), системы координат, ориентируются все работы в сфере прикладной геодезии. По существу, ориентируются все результаты геодезических измерений и моделирования.
Отмеченные три составляющие (ФРПП) геометрического знания оставались существом эволюции геометрического знания в целом, а также составляли предметную основу геодезии. В последующем, когда человек стал организовывать «под себя» окружающий мир, формировать вторичную среду, среду обитания, возникли два важнейших, упомянутых выше, фактора влияния: внешней среды и самой личности человека [2].
В качестве главной и определяющей силы воздействия внешней среды на геодезические измерения следует принять земное поле тяготения. Этот фактор определял условие и оказывал влияние при строительстве сооружений, формировании всей вторичной среды. Отмеченное воздействие поля тяготения было интерпретировано ранее [2] как принцип влияния «вертикаль – горизонталь» (ПВГ). Характер этого влияния на геодезию рассмотрен в работах [2, 6, 7, 8].
Геометрические понятия «горизонтальность», «вертикальность» в хозяйственной и прочей деятельности человека стали всеобщими. Естественным для всего живого и неживого на Земле является положение или состояние, характеризуемое как горизонтальность и вертикальность. Как только человек начал строить, формировать вторичную среду, линии вертикали и горизонтали стали играть важнейшую роль. Все геодезические приборы с самого начала их истории и до нивелира и теодолита в качестве главного условия их работы имели и реализовали требования вертикальности и горизонтальности.
Другим фактором воздействия на деятельность человека стал сам человек: «геометрия» его фигуры, физиология, его личностные и общественные интересы относительно или применительно к обустройству его жизни, формированию среды обитания. Зависимость была интерпретирована в виде «принципа четырех направлений» (или 6 направлений) – П4Н, П6Н. Этот принцип был сформулирован в виде зависимости «прямоугольности» формируемой среды обитания от деятельности человека, от «прямоугольности» его фигуры. Здесь «прямоугольность» интерпретировалась как некий мировой стандарт, заданный в человеке и природе.
В работе [2] этот принцип сформулирован как феномен прямого угла в геодезии. В этой работе дано описание влияния этого феномена на все геодезические инструменты всего исторического времени (по существу, все инструменты и приборы являют собой по конструкции устройство прямого угла), на геодезическую технологию (прямолинейно-прямоугольную), на системы координат и в целом на задачу координатизации окружающего пространства.
Таким образом, два рассмотренных принципа (ПВГ и П4Н) определяли эволюцию геодезического знания, в котором «геометрическое», оставлявшее суть геодезии, лежало в области важнейших интересов общества и являлось геометрической основой в области строительства, земледелия и военного дела. Отмеченный геометрический интерес и значимость сохранялись на протяжении всей истории. Физическое же влияние внешней среды (и самого человека) проходило косвенно, через принципы ПВГ и П4Н. Вариант геометрического влияния, заложенный в принципы ПВГ и П4Н, нашел геометрическое отражение в понятиях вертикальности, горизонтальности и прямоугольности.
Интересно отметить, что понятия перпендикулярности и прямоугольности вытекают из обоих принципов и составляют их структурную сущность и единство в деле «обустройства» человека, в деле создания всей искусственной среды. Все это составляет некий фундамент «прямоугольности» в форме и содержании жизни.
Следовательно, влияние физического (в том числе «геофизического»), формировавшегося геодезического знания определялось, возможно, только рамками двух принципов. Геометрическая часть этих принципов составляла предметную сущность геодезии. Получаемые человеком в области зрительной информации данные о форме, размерах и положении объектов и явлений окружающего пространства вместе с принципами ПВГ и П4Н характеризуют предметную основу геодезии.
Если говорить об эволюции геодезического знания, его характерной чертой была геометрическая сущность. Все это находило отражение в терминологии, задачах, проблемах и, наконец, в продукции, результатах, в которых, конечно, ничего ни физического, ни геофизического не было. Даже в эволюции познания земного шара, вплоть до конца XIX в., не было ничего «геофизического». Пифагор, Аристотель, Платон, Эратосфен, Кл. Птолемей, Бируни, вплоть до градусного измерения Пикара, представляли Землю в виде шара.
Конечно, значимость «геофизического» в геодезии несомненна. Связь физического и геометрического в геодезии была установлена на основе закона всемирного тяготения Ньютона и теоремы Клеро. В последней устанавливалась зависимость ускорения силы тяжести от астрономической широты. Впервые Ньютон на основе физической концепции определил форму Земли (сжатие). Таким образом, по физическим данным стало возможным определять геометрию Земли и наоборот, по геометрическим параметрам – физические величины. Более того, используя результаты градусных измерений Пикара (и его результаты вычислений), Ньютон смог подтвердить и обосновать свое величайшее открытие. Но эти работы двух выдающихся математиков (Ньютон, Клеро) еще не определяли «геофизическое начало» в геодезии. Геодезия и ее теория совершенствовались и развивались усилиями великих математиков (Л. Эйлера, К. Гаусса и др.) в плане дифференциальной геометрии и теории поверхностей, а также совершенствования геодезического и топографического методов построения геодезических сетей и топографических съемок с XVI–XVII вв.
Только к середине XIX в. была установлена зависимость фигуры Земли от распределения масс в ее теле. По предложению Листинга в геодезию вошло понятие геоида. Работы Стокса и Венинг-Мейнеса приблизили этап использования геофизических методов и их результатов в геодезии. Фактически «геофизические» принципы в геодезии были введены, начиная с работ по общей гравиметрической съемке страны (1942–1949 гг.), Ф.Н. Красовским и М.С. Молоденским. Именно их работы положили начало использованию гравиметрических данных в координатизации физического пространства, формированию референцной системы координат (СК-42) и построению государственных опорных геодезических сетей.
Именно с этого времени высшая геодезия стала определяться как наука о фигуре Земли и внешнем гравитационном поле. С этого времени в геодезию вошли геофизические понятия, связанные с теорией поля, геопотенциалом и т. д. С этого времени происходит использование в геодезии геофизических методов для решения геометрических задач и введение поправок в результаты измерений за уклонение отвесных линий. По крайней мере, до середины XIX в. только «геометрическая» составляющая определяла развитие геодезии. Недаром на концах «дуги Струве» стоят памятники великим «геометрам», проложившим цепочку треугольников длиной в 25° 20′.
Критиковать взгляды на развитие геодезии как развитие системы знаний в плане геометрии (в форме практической геометрии), затем высшей геодезии (науки о координатизации пространства) – значит отнимать у геодезии ее главное достоинство – геодезия определяет геометрию физических объектов и явлений, в том числе всего пространства. Кстати, в 1949 г. М.С. Молоденским впервые была доказана возможность определения фигуры физической поверхности Земли геометрическим методом.
В работе [3] отмечено, что влияние «физического» на геодезию рассматривалось всегда как:
- Выработка физических методов и средств решения задач геодезии;
- Учет влияния физических процессов на геодезические измерения (определение поправок за рефракцию, за уклонение отвесных линий).
В работе Б.В. Бровара и М.И. Юркиной [9] перефразировано известное выражение М.В. Ломоносова. Применительно к смыслу статьи оно получило вид: «Геодезия будет прирастать гравиметрией». К этой фразе стоит добавить, что «не только гравиметрией».
В работах [1, 2] сказано, что в геодезии решаются три задачи: определение (измерение), моделирование геодезической метрики объектов и явлений окружающего пространства и контроль изменений их метрики. В каждой исторической эпохе, особенно когда происходит формирование новой парадигмы, геодезия «прирастает» новыми методами и средствами измерений и моделирования, а также новыми теориями в области геометрии пространства, объектов и явлений.
В XVII в., когда началась новая историческая эпоха в геодезии, происходило формирование новой парадигмы, которая в [2] определена как топографо-геодезическая. С этого времени геодезия стала «прирастать» оптико-механическими средствами измерений (астролябия, теодолит, нивелир), тригонометрией и логарифмами, теорией формируемых новых методов – геодезического и топографического. Топографо-геодезическая парадигма стала стержнем развития геодезии в течение 300 лет. В этот период геодезия также «прирастала» «геометриями», геометрическими теориями: дифференциальной геометрией и теорией поверхностей и др.
Двадцатый век стал началом формирования четвертой парадигмы. Теперь геодезия «прирастает» как гравиметрией, так и новыми методами, средствами измерений и моделирования: аэрофотосъемкой, электронными методами и средствами, информационными системами, космическими методами. По существу формируется новый метод координатизации пространства. Вместе с тем, все отмеченные «прирастания» не меняют предметную основу геодезии. В этом заключена блестящая перспектива ее будущности.
Более пятидесяти последних лет в учебной и справочной литературе осуществляется, наперекор логике исторического развития геодезии, ее определение с подменой предмета науки (геометрии) объектом «фигура Земли». Происходит нарушение методологического подхода в определении и понимании науки. В статье [5] «Геодезия – это метод, или «наука о фигуре Земли», или нечто большее?», как и в ряде других работ [1, 2, 3, 4], подробно и доказательно показаны ошибочность и опасность такого рода подмены и толкования. В XXI в. формируется парадигма, несовместимая с тиражируемым определением геодезии последние 50 лет. Недопустимо втискивание определения и понимания геодезии в прокрустово ложе «фигуры Земли».
Вместе с тем, не исключена возможность определения «какой-либо» геодезии на основе «фигуры Земли». По такому варианту определяется «геофизическая геодезия» [9]. Аналогичное имеет смысл применительно и к высшей геодезии. Хотя, в последнем случае, целесообразнее применение или использование более точного (на предметной основе) выражения: «наука о координатизации физического пространства».
Прикладные геодезии более узкой специализации фактически определяются с акцентом на предметной или объектной основе. Например, космическая, морская геодезии, наземная, подземная и др., а также виды геодезии применительно к объектам определенной метрической формы и размерности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тетерин Г.Н. Теоретические и методологические основы современной геодезии // Геодезия и картография. – 2011. – № 1. – С. 55–59.
2. Tетерин Г.Н. Феномен и проблемы геодезии. – Новосибирск: СГГА, – 95 с.
3. Тетерин Г.Н. История геодезии (до XX в.). – Новосибирск: СГГА, 2008.– 300 c.
4. Тетерин Г.Н. Теория развития и метасистемное понимание геодезии. – Новосибирск: СГГА, 2006. – 162 с.
5. Тетерин Г.Н. Геодезия – это метод, или «наука о фигуре Земли», илинечто большее? // Изыскательский вестник. – 2009. – № 2. – С. 5–11.
6. Тетерин Г.Н., Тетерина М.Л. Древние измерительные системы и два принципа влияния (ПВГ и П4Н) Т. 1, ч. 1. – Новосибирск: СГГА, 2009.
7. Тетерин Г.Н., Синянская М.Л. Феномен прямого угла и прямоугольности в геодезии. Т. 1, ч. 1. – Новосибирск: СГГА, 2010.
8. Тетерин Г.Н., Синянская М.Л. Угловые и линейные меры измерений в древнее время. Т. 1, ч. 1. – Новосибирск: СГГА, 2011.
9. Бровар Б.В., Юркина М.И. Об эволюции содержания главных задач геодезии и гравиметрии // Изыскательский вестник. – 2011. – № 11.
10. Юркина М.И. Куда стремится геодезия? // Геодезия и картография,– № 1. – С. 59–61.
Related posts
