Высшая геодезия — наука, занимающаяся определением формы, размеров и гравитационного поля Земли, созданием государственных опорных геодезических сетей, изучением геодинамических явлений, решением геодезических задач на поверхности земного эллипсоида и в пространстве.
Задачи высшей геодезии принято подразделять на научные и научно-технические. Главной научной задачей высшей геодезии и смежных с ней наук (гравиметрии и теории фигуры Земли, космической геодезии и астрономии) является определение параметров фигуры Земли (ее формы и размеров), внешнего гравитационного поля и их изменений во времени. В настоящее время под фигурой Земли в высшей геодезии понимают фигуру, ограниченную физической поверхностью Земли, т. е. поверхностью ее твердой оболочки на суше и невозмущенной поверхностью морей и океанов. Под гравитационным полем Земли понимают поле силы тяжести, являющейся равнодействующей силы притяжения (тяготения) и центробежной силы, вызванной суточным вращением Земли.
Изучение гравитационного поля Земли по своей сути — геофизическая проблема, как и изучение других физических полей Земли. Однако в силу особой важности для геодезии и с учетом того, что параметры фигуры и гравитационного поля Земли определяются из совместной обработки комплекса астрономо-геодезических, гравиметрических, спутниковых и других измерений и совместно используются при решении многих задач высшей геодезии, изучение гравитационного поля Земли является одной из главных научных задач геодезии.
Под воздействием физических процессов, протекающих в недрах Земли и на ее поверхности, медленно перемещаются литосферные плиты, возникают упругие напряжения в земной коре, происходят землетрясения, постепенно деформируется земная поверхность, причем по-разному в разных местах, изменяется положение полюсов Земли, ее гравитационное поле, угловая скорость вращения и т. д. Все это оказывает влияние на точность определения координат и высот пунктов геодезических сетей и ведет к их изменению с течением времени. Поэтому при решении разнообразных задач, требующих геодезического обеспечения наивысшей точности, возникает необходимость изучения Земли как планеты. В связи с этим к числу важнейших научных задач высшей геодезии относятся такие, как определение геодезическими методами количественных характеристик деформаций земной поверхности, изучение вековых поднятий или опусканий крупных блоков земной коры, а также закономерностей перемещений литосферных плит, определение и учет движений полюсов Земли и вариаций ее угловой скорости вращения, изучение современных движений земной поверхности в сейсмически активных районах с целью поиска предвестников и последующего прогноза крупных землетрясений, изучение техногенных движений земной поверхности, обусловленных активной деятельностью человека, определение разностей уровней морей и океанов и др.
Основная научно-техническая задача высшей геодезии и смежных с ней наук состоит в создании глобальной (общеземной) и национальных (на территории государства) опорных геодезических сетей высокой точности. К национальным опорным сетям относятся: государственная геодезическая сеть (основная, часто называемая плановой), государственная нивелирная сеть (высотная) и государственная гравиметрическая сеть. Эти сети тесно взаимосвязаны, дополняют одна другую и при совместном использовании комплекса выполняемых в них астрономо-геодезических и гравиметрических измерений позволяют однозначно определять координаты и высоты пунктов в единой для страны системе, а также параметры Земли, характеризующие ее фигуру и гравитационное поле в пределах территории страны. Выполняя повторные измерения в этих сетях, можно уточнять координаты и высоты пунктов, а также изучать геодинамические явления.
Практика показывает, что с течением времени требования к точности построения опорных геодезических сетей непрерывно возрастают. Они уже и теперь достаточно высоки, а в ближайшем будущем будут несравненно выше. Поэтому в настоящее время возникает необходимость разработки теорий и методов создания прецизионных опорных геодезических сетей (глобальной и национальных) с использованием для этих целей всего комплекса астрономо-геодезических, гравиметрических, грави-инерциальных и других видов измерений, а также наблюдений искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических летательных аппаратов (КЛА), внегалактических источников радиоизлучения (квазаров) и т. п.
При создании и последующем совершенствовании опорных геодезических сетей возникает большой круг научно-технических проблем и задач, включающих в том числе разработку:
научно обоснованных программных и методических вопросов построения опорных геодезических сетей с наивысшей точностыо, доступной при использовании новейших достижений геодезической науки и техники;
средств и методов надежного закрепления геодезических сетей на местности, создаваемых в различных физико-географических и климатических зонах с учетом длительного срока их службы;
наиболее совершенных методов и точных приборов, автоматизированных комплексов для производства высокоточных астрономо-геодезических, гравиметрических, спутниковых, грави-инерциальных, радиоинтерферометрических и других видов измерений в опорных геодезических сетях наивысшей точности;
эффективных математически строгих теорий и методов совместной обработки результатов всего комплекса этих измерений с целью наиболее точного определения координат и высот геодезических пунктов, а также параметров фигуры и гравитационного поля Земли;
эффективных методов и средств определения учета влияний внешней среды на результаты астрономо-геодезических, спутниковых и других измерений;
наиболее точных и в то же время достаточно простых методов решения геодезических задач на поверхности земного эллипсоида, принимаемого за геометрическую или физическую модель Земли, а также в трехмерном пространстве с использованием новейшей вычислительной техники;
методов научной организации работ, охраны труда и техники безопасности на всех этапах построения и дальнейшего совершенствования опорных геодезических сетей и др.
Научные и научно-технические задачи высшей геодезии тесно взаимосвязаны. Без знания параметров фигуры и гравитационного поля Земли невозможно математически строго совместно обработать результаты всего комплекса разнообразных измерений, выполняемых при создании опорных геодезических сетей, а следовательно, однозначно и с высокой точностью определить в единой системе координаты и высоты пунктов. И наоборот, для изучения фигуры и гравитационного поля Земли необходима сеть опорных геодезических пунктов, координаты и высоты которых определены в единой системе. Это свидетельствует о том, что научные и научно-технические задачи высшей геодезии должны решаться совместно, методом приближений, что и происходит в действительности.
Высшая геодезия непрерывно развивается и совершенствуется. Она тесно взаимодействует с такими научными дисциплинами, как теория фигуры Земли, гравиметрия, геодезическая астрономия, космическая геодезия и др.
Курс высшей геодезии состоит из трех основных разделов, дополняющих друг друга: «Основные геодезические работы», «Сфероидическая геодезия» и «Теоретическая геодезия». В разделе «Основные геодезические работы» рассматриваются вопросы построения государственных геодезических сетей (плановых и высотных) в неоднородном (реальном) гравитационном поле Земли, в том числе методы их создания, проектирование и закрепление сетей на местности, приборы и методы высокоточных геодезических измерений разного состава, источники ошибок измерений и методы учета их влияний, методы математической обработки результатов измерений с учетом кривизны земной поверхности и неоднородностей гравитационного поля. В разделе «Сфероидическая геодезия» изучается геометрия земного эллипсоида, методы решения геодезических задач на его поверхности и в трехмерном пространстве, а также теория отображения поверхности эллипсоида на шаре и на плоскости. «Теоретическая геодезия» занимается разработкой теорий и методов решения основных научных проблем и задач высшей геодезии, используя для этих целей весь комплекс современных астрономо-геодезических, гравиметрических, спутниковых и других видов высокоточных измерений, выполняемых в опорных геодезических сетях и при необходимости повторяемых в том или ином объеме через определенные промежутки времени при решении геодинамических и других задач.
Для успешного решения научных и научно-технических задач высшей геодезии все измерения в государственных геодезических сетях 1 класса необходимо выполнять с наивысшей точностью достигаемой при массовых (не единичных) измерениях при использовании новейшей измерительной техники. В настоящее время в геодезических сетях 1 класса горизонтальные углы измеряются со средней квадратической ошибкой 0,5—0,7" (вычисленной по невязкам треугольников), длины сторон— с относительной ошибкой 2.10-6, превышения при нивелировании— со случайной ошибкой 0,5 мм/км, астрономические широты, долготы и азимуты — со случайными ошибками 0,3"; 0,03s и 0,5" соответственно (вычисленными по колебаниям результатов измерений в приемах), ускорение силы тяжести — с относительной ошибкой порядка 2.10-8 Достижению такой высокой точности измерений, выполняемых в сложнейших физико-географических и климатических условиях, предшествовал огромный труд советских ученых-геодезистов, приборостроителей и других специалистов.
Высшая геодезия в своих исследованиях широко использует новейшие достижения таких фундаментальных наук, как физика, математика, астрономия и других, а при разработке высокоточной измерительной техники — прикладной оптики, точного приборостроения, радиоэлектроники, лазерной техники и т. п. При математической обработке результатов измерений широко применяются теория вероятностей, математическая статистика, метод наименьших квадратов и т. п. Все вычисления выполняются с использованием новейшей электронной вычислительной техники. Для решения научных задач, связанных с изучением Земли как планеты, необходима тесная взаимосвязь высшей геодезии с такими науками о Земле, как геология, тектоника, геофизика и др.
Результаты исследований высшей геодезии имеют важное научное и народнохозяйственное значение. Например, государственные геодезические сети широко используются при освоении космического пространства, изучении природных ресурсов, картографировании территории страны в разных масштабах, промышленном и сельскохозяйственном освоении значительных по площади территорий и т. д.