Основы теории технологического развития геодезии как системной целостности.

Синянская М.Л.

Основы теории технологического развития геодезии как системной целостности.

Аннотация

В статье рассматриваются проблемы и задачи технологического развития геодезии применительно к историческому времени; дается определение технологии геодезии как системной целостности. Приводится перечень основных технологий геодезии. Определяются условия возможного оптимального анализа технологических процессов, их представления и развития.

Ключевые слова: технология, анализ, оценка.

Проблемы технологии и технологического развития геодезии в периодической печати рассматривались только применительно к конкретной системе измерений и инструментам топографо-геодезического производства. Исследования технологии геодезических измерений в общесистемном плане, тем более с учетом исторического времени, затрагивалось только в работах автора в рамках теории развития геодезии (ТРГ). Предлагаемый вариант статьи посвящен этой проблеме.

Геодезия, как наука и как система измерений, решает три задачи [3, 4]:

1. Определение формы, размера и пространственного положения (ФРПП) объектов и явлений окружающего мира.
2. Формирование объектов в окружающем пространстве заданной метрики (ФРПП).
3. Контроль изменений ФРПП в пространстве и времени.

Первые две задачи определяются как прямая и обратная главные задачи геодезии.

Задача определения у объектов и явлений в пространстве значений ФРПП определяется как задача о геодезической метрике (ГМ). При этом объекты и явления окружающего пространства, у которых устанавливается ГМ, должны быть представлены в форме геометрических образов: точек, линий, поверхностей. В ТРГ эти геометрические образы именуются как структурные элементы (СЭ) [3, 4]. Таким образом, вышеперечисленные три основные задачи геодезии могут быть представлены как:

1. Определение ГМ у структурных элементов (СЭ).
2. Формирование СЭ в пространстве заданной ГМ.
3. Контроль изменений ГМ в пространстве и времени.

С учетом сказанного технология геодезических работ сводится к построению СЭ в пространстве и определению их ГМ; или вынос в пространство СЭ заданной ГМ. Измерения, связанные с определением ГМ, во всех случаях завершаются их обработкой и представлением в виде моделей: графических, аналитических, цифровых и физических. В совокупности отмеченные измерения и моделирование характеризуются как геометризация окружающего пространства. При этом технология решения всей совокупности отмеченных задач распадается на следующие этапы:

1. Технология построения СЭ.
2. Технология измерений.
3. Технология моделирования.

При этом в технологии первой и второй частей предусматривают использование различных средств геометрических измерений и построений. Помимо этого, технологии рассматриваемых задач зависят от сферы приложения и специфики реализации трех главных задач геодезии. Таким образом, общая технология геодезии, как системной целостности, заключается в геометризации окружающего пространства, т.е. построении в этом пространстве СЭ, определении их метрики (ГМ) и моделировании. При этом, общая отмеченная технология подразделяется на отдельные виды технологических процессов в зависимости от реализации трех главных задач и сферы приложения. В рамках прямой и обратной геодезических задач выделяют также технологии, связанные с отдельными процессами измерений: линейные, угловые, нивелирные, астрономические и т.д.

Все отмеченные технологии и их конкретная реализация имеют постоянные особенности принципиального характера, независимого от циклических и исторических процессов, связанных с изменениями социальной, технической, научной и других сфер влияния.

Для установления принципиальных особенностей геодезических работ, выполнявшихся в прошлом и настоящем, в зависимости от которых технология приобретает аспект всевременного постоянства, необходимо обратиться к вопросам построения СЭ в пространстве и определения их ГМ. В этом случае на СЭ накладывается ряд условий, представленных в виде аксиом [3]. С другой стороны, задачи построения СЭ и измерения ГМ зависят от двух обстоятельств:

1. От важнейших физических законов, влияющих на процессы построения и измерения. Одним из таких законов является закон всемирного тяготения.
2. Зависимость этих двух процессов от субъекта измерения – человека.

В первом случае все средства измерений и построений зависят от условий, выражаемых принципом «вертикаль-горизонталь». Второе условие, накладываемое на измерения и построения, зависит от человека, важнейшей составной частью которого является его прямоугольная фигура и главные векторы направления ориентации в пространстве, выраженные словами: право-лево, вверх-вниз, прямо-обратно. В совокупности эта система шести направлений представляет своего рода пространственную систему координат. Рассматривая человека в этих условиях, как наблюдателя и измерителя, отмечается два принципа, характеризующие особенности измерений и построений – принцип четырех (П4Н) и принцип шести (П6Н) направлений. Эти два принципа составляют, с одной стороны, требования прямоугольности, с другой стороны, требования координатности построений. Таким образом, эти два условия (П4Н, П6Н) в дальнейшем определяются как два главных принципа измерений и построений: принцип прямоугольности и координатный принцип.

Следовательно, во все исторические времена, как в прошлом, так и в настоящем, на формирование технологии геодезических измерений и построений накладывается три важнейших принципа: принцип «вертикаль-горизонталь», принцип прямоугольности и координатный принцип. Каждый из этих принципов формировал в конкретных обстоятельствах и исторических рамках методы и средства измерений и построений СЭ, т.е. технологию. Так принцип «вертикаль-горизонталь» формировал методы и средства «горизонтирования» измерений: отвесы, уровни и т.д., в техническом и геометрическом исполнении.

Второй и третий принципы оказывали влияние на средства и методы измерения и построения: в частности, принцип прямоугольности представлял важнейшую конструктивную особенность систем измерения; координатный принцип определял важнейшие условия координатизации окружающего пространства. Фундаментальной особенностью этих принципов являлись геодезические сети, в древнее время прямоугольно-прямолинейные (5 вариантов), начиная с середины второго тысячелетия – в форме тригонометрических сетей.

Понятие технологии и ее определение достаточно разнообразно в разных источниках. Ниже приведен следующий вариант определения. Под технологией геодезических работ понимается совокупность методов и средств измерений, построений и моделирования для формирования геометризации окружающего пространства. В общей технологии геодезии, как отмечалось выше, выделяется три основных, связанных с решением трех главных задач геодезии – прямой, обратной и задачей по контролю изменений метрики пространства и времени. В технологии по решению прямой задачи выделяют технологию, связанную с формированием главной геодезической основы – построение геодезических сетей и определение координат их точек, т.е., в конечном итоге, формирование координатного обеспечения пространства.

В соответствии с четырьмя историческими этапами развития геодезии такое геодезическое обеспечение представлялось: на втором этапе развития в виде прямолинейно-прямоугольных сетей, на третьем этапе – в виде тригонометрических сетей (триангуляция), на четвертом этапе – в виде спутниковых сетей (ФАГС, СГС-1,2).

На основе отмеченного геодезического обеспечения пространства формируются технологии решения различных прикладных и специальных разнообразных задач: народно-хозяйственных, научных и т.д. В их числе инженерно-геодезические, задачи космической, морской, градостроительной и других геодезий. Результаты реализации таких технологий формируются в виде разнообразных моделей: графических, аналитических, цифровых и физических. В совокупности все выполненные работы, в рамках указанных технологий, определяют уровень геометризации (геометризованности) окружающего пространства, геопространства.

Изменение технологий во времени в историческом плане хорошо просматривается и определяется по четырем периодам общего исторического развития геодезии (четыре парадигмы). Такая периодизация [1, 3, 4, 5] одновременно определяет и периоды технологического развития геодезии. Рассматриваемая периодизация определена и установлена на основе логистического закона развития геодезии [1, 2, 3, 4]. Особенности технологий, отмеченных четырех периодов исторического развития, можно охарактеризовать следующими названиями: антропная, геометрическо-механическая, оптико-механическая и геоинформационная.

Каждая эпоха имела свою парадигму (табл. 1) и свое фундаментальное выражение в соответствующей системе измерений, технологии и теории. Следовательно, переход от одной исторической эпохи к другой означал смену систем измерений, технологий и теоретической основы., т.е. повышение точности измерений на два порядка при переходе к новой эпохе обязательно сопровождалось формированием новых систем измерений, новой технологии и обновлением теории. В целом это характеризовалось формированием новой парадигмы.

Таблица 1

Парадигмы

На первом этапе в рамках первого периода или эпохи развития прямая и обратная главные геодезические задачи решались человеком в силу его физических данных (геометрия фигуры): путем построения прямого угла и определения расстояний шагами, локтем, пядями, по суточному времени и т.д.

На втором этапе (периоде) развития стали использоваться простейшие механические средства измерения: мерная веревка, мерное колесо, отвес, водный уровень и т.д. Геодезическая основа создавалась в форме пяти вариантов прямоугольно-прямолинейных сетей [3]. Формирование такого рода сетей осуществлялось путем построения прямых углов (с помощью веревки или фигуры человека) и прямых линий, в том числе путем ночных наблюдений на факелы и костры. Эта технология на этом этапе формировалась с учетом ранее отмеченных принципов измерений: «вертикаль-горизонталь», прямоугольного и координатного принципов.

На третьем этапе геодезическую координатную основу заданного пространства строили и определяли с помощью разнообразных геодезических сетей – сетей триангуляции. Результаты обработки таких сетей определяли цифровую координатную модель пространства. В технологии этого периода использовались разнообразные оптико-механические средства измерений и геометрических построений СЭ. В их числе теодолиты, нивелиры, мензулы, кипрегели, оптические уровни и т.д.

На четвертом этапе технологического развития, начало которого относится к середине ХХ века, стали использоваться методы и средства измерений и построений, связанные с космосом, спутниками, электронными средствами, компьютерами и т.д. Стали широко внедряться и использоваться цифровые средства измерения. В геодезических приборах в качестве начинки применяют спутниковые приемники, дающие возможность измерять, обсчитывать и моделировать результаты работы: тахеометры, цифровые нивелиры и др. Геодезическая основа на этом этапе развития создается с помощью космических, спутниковых, астрономических, гравиметрических измерений. Такие сети получили название:

— фундаментальные астрономо-геодезические сети (ФАГС);

— спутниковые сети (СГС-1, 2).

Формируются также сети специального назначения.

Оценка результатов технологического развития в общем случае осуществляется с применением следующих критериев развития: критерий предопределенности развития, критерий точности развития, критерий геометризованности пространства. В частных случаях используются дополнительные критерии.

Критерий предопределенности развития характеризует в целом темпы ускорения развития геодезии. Это характеризуется как сжатие исторического времени, вытекающее из логистического закона развития геодезии. В общем случае числовое значение определено коэффициентами ускорения α и β       [1, 5], равными соответственно 4,5 и 3,0 (в двух вариантах подсчета).

Критерий точности геодезических измерений и построений вытекает из логистического закона и на каждом этапе развития оценивается по формуле [2, 5]:

y_ij = a_kj·10^-2(i—k),                          (1)

j – номер процесса (j = 1 (линейный); j = 2 (угловой); j = 3 (нивелирный);

i – номер эпохи (i = 1 – землемерная эпоха; i = 2 – геометрическая (римско-эллинистическая); i = 3 – топографо-геодезическая; i = 4 – геоинформационная);

a_ij – параметр точности измерений в процессе j в эпоху i, причем этот параметр является своего рода базовой постоянной, используемой в расчетах;

k — эпоха, для которой известна и задана a_kj;

a — параметр в эпоху k_j (kЄi).

Величина a представляет собой известный параметр точности измерений в эпоху k процесса j. Этот параметр для данной эпохи k представляет постоянную величину, известную из каких-либо нормативов (инструкций) или практических измерений.

Такой параметр (погрешность измерений) для эпохи 3 (i=3) хорошо известен из соответствующих инструкций, нормативов и т. д. Если подставить такой параметр в исходную формулу (1), то можно вычислить значение y данного процесса измерений для всех других эпох, т. е. 1, 2 и 4. В этом случае формула примет вид:

y_3j = a_3j·10^-2(i-3)                                   (2)

Таким образом формулы (1), (2) позволяют производить расчеты по точности измерений для всех эпох и процессов. Эти формулы могут быть использованы для расчетов оценки каких-либо исторических процессов по известным параметрам, если будет задано какое-либо a_kj. Если a_kj характеризует уровень геометризованности или организованности в эпоху k на процессе j, то соответствующий уровень y_ij этих процессов можно определить по всем эпохам, т. е. определить уровень геометризованности или организованности для всех исторических эпох. В этом отношении проблемой является определение исходного базового значения a_kj.

Результаты расчетов по логистическому закону подтверждаются историческими данными. Исследование этой проблемы было выполнено М.Л. Синянской.

Критерий геометризованности пространства, интерпретированный как геометрическая организованность, характеризуется также полной координатной обеспеченностью. В оценку уровня геометризованности пространства входит обеспеченность его главной геодезической основой и построением разнообразных моделей: графических, аналитических, цифровых и физических. В частных случаях такая оценка может быть доведена до конкретного числового значения, что позволяет оценить и сравнить уровень геометрической обустроенности пространства для разных исторических эпох или разных регионов и частей геопространства.

В качестве значимых критериев при разных обстоятельствах могут применяться также, например, критерий полноты данных, критерий уровня охвата пространства и т.д.

Для полноты анализа технологических процессов в целом для геодезии и частных случаев, необходимо учитывать три важнейших составляющих условия: СЭ и их усложнение, принципы развития (принципы формирования технологий) и, наконец, критерии развития. Только учет этих важнейших понятий и подходов (СЭ, Принципы, Критерии) возможно понимание технологического развития геодезии в историческом плане, в плане понимания современной динамики технологического развития и в перспективе. Такой системный подход устанавливает и определяет основу целостного понимания технологического развития геодезии. Этот фактор особенно важен в организации учебного процесса.

Литература

1. Тетерин Г.Н., Синянская М.Л. Закон пространственно-временной предопределенности и датировка исторических событий и эпох // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2015. – № 1. – С.
2. Тетерин Г.Н., Синянская М.Л. Константы и параметры развития геодезии // Геодезия и картография. — 2015. — № 6. — С. 58-62.
3. Тетерин, Г.Н. История геодезии (до XX в.) [Текст] / Г.Н. Тетерин // Новосибирск: ООО «Альянс-Регион». — 2016. — 302 с.
4. Тетерин, Г. Н. История геодезии, картографии и землеустройства в России с древнейших времен и до наших дней (XI-XXI вв.) // Новосибирск: ООО «Альянс-Регион». — 2018. — 346 с.
5. Тетерин Г. Н., Синянская М. Л. Количественные и качественные оценки исторических процессов в геодезии. [Текст] / Г.Н. Тетерин, М.Л. Синянская.

Задачи и перспективы применения лазерного сканирования для целей топографического картографирования и кадастра
06.10.2023

Краткая история создания первых аэрофотоаппаратов
23.09.2023

«Как написано на карте»
19.06.2023

Об эпохах развития геодезии
14.07.2021

Что было на Первом геодезическом совещании
19.04.2021

Мария Синянская: ко Дню космонавтики – о развитии методов геодезии
12.04.2021