Geodezja (the ancient Greek : γεωδαισία / geôdaisía do γῆ / GE ( "Ziemia") i δαίω / Daio ( "split")) jest nauką, pierwotnie przeznaczony na rysunku kart, który jest dołączony do rozwiązania problemu wymiarach , a następnie kształtu Ziemi , co czyni ją u jej początków pierwszą formą współczesnej geografii .
Zgodnie z klasyczną definicją wielkiego niemieckiego geodety Friedricha Roberta Helmerta ( 1843 - 1917 ) to „nauka mierzy i przedstawia powierzchnię ziemi”. Definicja ta, choć sformułowana w 1880 r. , Pozostaje aktualna do dnia dzisiejszego, pod warunkiem, że obejmuje określenie zewnętrznego pola grawitacyjnego Ziemi i dna oceanu.
Ten artykuł jest syntezą dotyczącą geodezji. Obejmuje badanie pola grawitacyjnego, ale nie zajmuje się topometrią i topografią , ani aspektami matematycznymi i geometrycznymi, ani wszystkimi praktycznymi zastosowaniami kartografii .
Geodezja historycznie opierała się na naukach inżynierskich . Znajduje się na skrzyżowaniu trzech głównych dziedzin nauki, astronomii , geofizyki i oceanografii , które są ze sobą coraz ściślej powiązane, biorąc pod uwagę niezliczone misje kosmiczne, które ich dotyczą. Techniki kosmiczne i satelitarne poszerzyły jego zasoby i wielodyscyplinarność , umożliwiając mapowanie powierzchni innych ciał planetarnych: oczywiście Księżyca , ale także innych planet i satelitów w Układzie Słonecznym . Jeśli chodzi o Księżyc, czasami mówimy o selenodezie lub geodezji księżycowej , w innych przypadkach o geodezji planetarnej .
Geodezja jest z natury nauką ilościową, jej sposoby analizy i opisu wywodzą się z matematyki i fizyki, a coraz częściej z informatyki .
Zgodnie z francuskojęzycznym sensem tego terminu, poprzez swoje wzory obliczeniowe ( geodezja matematyczna ) geodezja ma na celu określenie kształtu i wymiarów Ziemi jako całości (innymi słowy figury Ziemi ), a także jego grawitacja polowa (do badań której obecnie używamy terminu „geodezja fizyczna”). Postęp techniczny umożliwił coraz dokładniejszy pomiar zmienności tych parametrów. W badaniach tektonicznych nieuniknione stały się czasowe zmiany w globalnej geometrii. W przestrzennych grawimetrycznie misji (Champ zGoce Grace) umożliwiają w szczególności lepiej docenić odmiany grawitacji .
Geodezyjne i topograficzne , który przejdzie do lokalnych działań na rzecz praktycznych zastosowań ( Maps , pracy na miejscu, w tym robót drogowych, praca Wsparcie mapowania z fotogrametrii ...) nie są zaliczane do gałęziach geodezji właściwa, choć oczywiście mają swoje korzenie w geodezji techniki. Helmert uwzględnił ten fakt, określając rzeczywistą geodezję geodezją wyższą (po niemiecku: "höhere Geodäsie"), a topometrią geodezją dolną (po niemiecku: "niedere Geodäsie"), przy czym kwalifikator "niższy" nie ma tu znaczenia pejoratywnego . Angielska nazwa topometrii to „geodezja”, w języku niemieckim mówimy - poza „Topometry” - „Vermessungskunde”, „Vermessungswesen” lub „Einzelvermessungswesen”.
Opierając się na definicji Helmerta i ją uzupełniając, można przedstawić geodezję w następujący sposób: określenie „figury”, czyli wymiarów, kształtu i zewnętrznego pola grawitacyjnego Ziemi (i ewentualnie innych ciał planetarnych) w funkcji czasu.
Należy bowiem pamiętać, że przy określaniu kształtu Ziemi w przeszłości korzystano z pomiarów naziemnych: na przykład poziomów lub teodolitów , dla których pion jest podstawowym odniesieniem, ponieważ jest jedynym kierunkiem łatwym do uzyskania. precyzja i bez skomplikowanych środków technicznych. Jednak pion w miejscu jest lokalną cechą pola grawitacyjnego: jest to linia pola .
Pod terminem „forma” lub „postać” Ziemi kryje się kilka możliwych znaczeń. W najbardziej elementarnym sensie tym słowem możemy rozumieć powierzchnię topograficzną , która reprezentuje materialną granicę między litosferą (zbiorem mas skalnych) a hydrosferą (zbiorem mas płynnych) lub atmosferą (wszystkie masy gazowe) : dopiero w drugiej połowie XX th wieku, kiedy to zaczął być znany, że zawarte na dno oceanu w definicji topograficznej powierzchni.
Topograficznej powierzchni stałego Ziemi jest bardzo nieregularna powierzchnia na wszystkich skalach, i dlatego nie nadaje się do matematycznego opisu parametrycznego lub w ogóle. Powierzchnia ta, w porównaniu do elipsoidy obrotowej zbliżającej się do niej możliwie najbliżej, wykazuje zmiany rzędu 10 km w górę ( Himalaje ) i w dół (rowy oceaniczne). Z tego powodu jest opisywany za pomocą punktów pomiarowych zidentyfikowanych za pomocą współrzędnych w dobrze zdefiniowanym układzie. W aktualnym układzie odniesienia topograficznego wysokości są liczone od powierzchni odniesienia w pobliżu geoidy, którą teraz przedstawimy.
Powierzchnia oceanach - która sama stanowi około 70% całkowitej powierzchni ziemi - jest na ogół bardzo blisko powierzchni , to znaczy do wyrównania powierzchni z grawitacyjnym dziedzinie . Rzeczywiście, powierzchnia oceanów i mórz jest kontrolowana głównie przez siłę grawitacji, z pewnymi niepokojącymi zjawiskami, takimi jak prądy morskie, wahania zasolenia, pływy , falowanie powodowane przez wiatry , zmiany ciśnienia atmosferycznego itp. Te niepokojące zjawiska nie mają charakteru okresowego w czasie, tak więc średni poziom morza, pojęcie trudne do zdefiniowania, nie reprezentuje ekwipotencjalnej powierzchni pola grawitacyjnego przy aktualnej dokładności pomiaru satelitów (z rzędu centymetrów). . W ten sposób definiujemy „ geoidę ” jako ekwipotencjalną powierzchnię pola grawitacyjnego, wybraną arbitralnie, ale bardzo zbliżoną do poziomu oceanów, które myśląc możemy rozciągnąć pod kontynentami. To właśnie tę fizyczną powierzchnię niemiecki inżynier geodezyjny JB Listing nazwał w 1873 roku geoidą. Ta powierzchnia służyła już jako powierzchnia odniesienia przed nadaniem jej nazwy. Tak więc w 1828 roku CF Gauss wyraźnie odnosi się do geoidy w następujących terminach, nie przypisując jej żadnej szczególnej nazwy: „To, co nazywamy powierzchnią ziemską w sensie geometrycznym, jest niczym innym jak powierzchnią, która przecina się wszędzie z kierunkiem grawitacji w pod kątem prostym, a część tej powierzchni pokrywa się z powierzchnią oceanów ”.
Satelity radarowe oceanograficzne (np.Topex-Poseidon, Jason 1 i 2) mają na celu przede wszystkim określenie prądów, które są widoczne po ich charakterystyce geometrycznej (ciepłe wody tworzą nierówności, zimne są puste, biorąc pod uwagę zmianę gęstości wywołaną temperaturą wody) : zastosowanie tych pomiarów radarowych wymaga doskonałej znajomości geoidy, w związku z czym w tych zabiegach byli zaangażowani geodeci i oceanografowie. Zaowocowało to znajomością morskiej geoidy z centymetrową dokładnością. Wyłonione ziemie były gorzej obsługiwane przez narzędzia kosmiczne, niemniej jednak satelitarne misje grawimetryczne zapewniają obecnie geoidę na kontynentach, której precyzja jest nieco lepsza niż decymetr (patrz praca GRGS ).
Wprowadzono układy odniesienia opisujące ruch Ziemi w kosmosie („układ niebieski”), a także geometrię powierzchni i pole grawitacyjne Ziemi („układ ziemski”). Wybór najlepszych systemów odniesienia, biorąc pod uwagę spektakularne postępy w aktualnej metrologii , stał się jednym z wielkich postępów w geodezji, a ogólna geometria Ziemi jest obecnie mierzona z dokładnością lepszą niż 1 cm. Ta geometria, jak również orientacja w przestrzeni, są obecnie oparte na 4 bardzo różnych technikach: VLBI (technika radioastronomiczna), DORIS , laserowej telemetrii na satelitach (SLR w języku angielskim) i GPS .
Jako podstawowy ziemski układ współrzędnych z łatwością używamy kartezjańskiego układu współrzędnych przestrzennych X , Y , Z, którego początek O znajduje się w środku mas Ziemi i obraca się wraz z nim. Oś O Z pokrywa się ze średnią osią obrotu Ziemi. Płaszczyzna średniego równika jest prostopadła do tej osi O Z , a zatem zawarta w płaszczyźnie O XY . Historycznie, stara konwencja ustalała, że płaszczyzna O XZ zawierała średnią płaszczyznę południka Greenwich, odpowiadającą „średniej” długości geograficznej Obserwatorium w Greenwich na przedmieściach Londynu. Tak już nie jest, ponieważ południk odniesienia jest obliczany poprzez syntezę obserwacji 4 wspomnianych wyżej technik w postaci światowego układu odniesienia, czyli Międzynarodowego Systemu Odniesienia Lądowego . Obliczenia te są wykonywane w Laboratorium LAREG w IGN, a to, integrując możliwie najlepiej prędkości płyt tektonicznych, doprowadziło do uzyskania południka odniesienia znacznie różniącego się od południka w Greenwich .
Wprowadzenie średniej osi obrotu jest konieczne, ponieważ rotacja Ziemi jest zmienna w czasie. Dotyczy to zarówno orientacji osi obrotu Ziemi względem figury Ziemi (ruch bieguna), jak i prędkości kątowej samej Ziemi (zmienność długości dnia) . Ruch słupa zawiera kilka składników, zwłaszcza składnik roczny lub prawie roczne, element mający okres około 430 dni (około 14 miesięcy), a także świecką składnik. Elementem czternastomiesięcznym jest ruch Chandlera . Jest to quasi-kołowy ruch bieguna o amplitudzie między 0,1 "a 0,2", czyli w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, gdy obserwuje się go od północy.
Ruch ten jest spowodowany tym, że Ziemia obraca się i że oś największej bezwładności nie pokrywa się dokładnie z chwilową osią obrotu właściwego. Gdyby Ziemia była całkowicie nieodkształcalna (= sztywna), obserwowalibyśmy precesję osi obrotu względem osi figury z okresem 305 dni, zwanym „okresem Eulera”. Wydłużenie okresu Chandlera w porównaniu z okresem Eulera wynika z faktu, że Ziemia jest faktycznie odkształcalna. Zatem, zgodnie z zasadą Le Chateliera , odkształcenie wywołane przez zasadniczo sprężystą siłę przywracającą zachodzi w taki sposób, aby przeciwstawić się tej sile przywracającej, która narusza początkową równowagę, a to powoduje wydłużenie okresu.
Oprócz składowej Chandlera, istnieje inny okresowy lub quasi-okresowy składnik ruchu bieguna z okresem rocznym , generalnie o amplitudzie między 0,05 "a 0,1", a zatem znacznie niższy niż w przypadku Chandlera. Jest w tym samym kierunku, co ruch czternastomiesięczny i jest spowodowany sezonowym ruchem mas powietrza w atmosferze lub mas wody w hydrosferze. Procesy meteorologiczne i hydrologiczne, ocean kompleks są podstawą tych ruchów dużych ilości materiału, który wpływu wahań sezonowych tensora bezwładności I . W przypadku braku zewnętrznego momentu siły należy zachować całkowity moment pędu. Powoduje to, że wielkość I • Ω jest stała. Zatem jeśli I się zmienia, wektor Ω opisujący chwilową rotację musi zmieniać się w przeciwnym kierunku.
W końcu, w środku Ziemi występują ruchy materii w bardzo dużej skali przestrzennych ( konwekcyjne ruchy w płaszczu i w jądrze , subdukcja z płyty tektoniczne , itp.); Ruchy te są bardzo powolne, ale w geologicznych odstępach czasu prowadzą do znacznych przemieszczeń, obejmujących nieistotne zmiany tensora bezwładności. Te świeckie zmiany wywołują dryf lub migrację bieguna. Tak więc w latach 1900-1996 występuje dryf o wartości około 0,003 cala rocznie, w przybliżeniu wzdłuż 80- tego południka zachodniego. Nakładając te trzy składniki, biegun chwilowy opisuje krzywą spiralną, której centralny punkt przesuwa się powoli po kursie czasu. Odchylenia chwilowej pozycji bieguna od punktu centralnego pozostają mniejsze niż 0,3 cala w ciągu roku.
Postęp w geodezji pozwala obecnie lokalizować bieguny Ziemi (punkty, w których chwilowa oś obrotu Ziemi przebija powierzchnię) z dokładnością do około 1 cm.
Od 1988 roku International Earth Rotation Service (IERS) jest międzynarodowym serwisem utworzonym wspólnie przez Międzynarodową Unię Astronomiczną, UAI („Międzynarodowa Unia Astronomiczna”, IAU) i Unię Geodezyjną. Oraz Géophysique Internationale, UGGI („Międzynarodowa Unia Geodezji”) and Geophysics ”, IUGG). ITRF , syntezę pomiarów geometrycznych z całego świata, będą dostępne dla wszystkich, w postaci punktów, współrzędne są zaopatrzone w dokładny dzień i czas, a także prędkością (mm / rok), bezpośrednio związane z prędkością płyt tektonicznych. Zatem współrzędne każdego punktu w tym zestawie zmieniają się dzień po dniu. Najnowszym zapisem, obliczonym przez LAREG IGN , jest ITRF 2008, którego opublikowane współrzędne odpowiadają 01.01.2008 o godzinie 00:00 czasu polskiego .
Zbiór współrzędnych, które zmieniają się przez cały czas, z pewnością odpowiada optymalnemu naukowemu, ale we wszystkim, co nie jest łatwe do wykorzystania w różnych branżach użytkowników profesjonalnych, takich jak geodeci. Dlatego też uciekamy się do dodatkowego obliczenia, które polega na potraktowaniu zbioru krajów o mniej więcej takich samych prędkościach tektonicznych i na globalnym odjęciu tej prędkości. Daje to stałe współrzędne, których można używać bezpośrednio. Na przykład w Europie uzyskany w ten sposób system EUREF jest podstawą geodezyjnych systemów odniesienia wszystkich krajów europejskich, w tym Francji, która z kolei oparła się na swoim oficjalnym krajowym numerze referencyjnym, RGF 93, pod kierownictwem „ IGN ” .
To podejście, utrzymywane na całym świecie i bez poszukiwania bardzo zaawansowanej precyzji przetwarzania, jest podstawą aktualnego odniesienia operacyjnego zwanego WGS 84 , używanego domyślnie we wszystkich obecnych urządzeniach do pozycjonowania.
Ziemia i jej pole grawitacyjne ulegają zmianom w czasie, które mogą mieć charakter świecki (na przykład zmiany związane z hamowaniem ruchu obrotowego Ziemi w następstwie tarcia pływów lub te związane z powstaniem tarcz Laurentian i Fennoscandian po deglacjacji około dziesięciu tysięcy lat temu), okresowe (na przykład różne składniki pływów) lub nagłe (na przykład minimalne zmiany grawitacji związane z podnoszeniem się lub obniżaniem regionu przed i podczas trzęsienia ziemi). W przestrzeni kosmicznej te różnice mogą występować w skali globalnej, regionalnej lub lokalnej, w zależności od przypadku. Niezwykle precyzyjny pomiar tych zmian umożliwia teraz regularne monitorowanie mas wody, wód gruntowych i śniegu lub pokrywy lodowej, na przykład: narzędzia te znajdują się zatem w centrum głównych problemów społecznych, związanych z globalnym ociepleniem.
To samo dotyczy dość istotnej roli geodezji w pomiarze średniego poziomu morza za pomocą przestrzennej wysokościomierza radarowego. Tutaj znowu oczekiwania społeczeństwa są ogromne, chodzi o to, aby umieć dawać globalne i regularne wyniki, o niepodważalnej precyzji, i to właśnie się ostatnio wydarzyło (patrz praca LEGOS ).
Wzrost dokładności osiągnięty od początku ery kosmicznej był niezwykły, ale obecnie jest mało prawdopodobne, że będzie kontynuowany, z wyjątkiem pola grawitacyjnego. W rzeczywistości, po osiągnięciu dokładności kilku mm w podstawowych punktach, nie możemy znaleźć żadnego fizycznego znaczenia dla lepszej precyzji, nawet zakładając, że wiemy, jak to osiągnąć. W rzeczywistości, precyzja VLBI i laserowe satelita zakrojonej, na przykład, nie zmienił się więcej od początku XXI -go wieku.