История геодезического инструментария берет свое начало со времени цивилизаций Древнего мира. До сих пор не установлено точное время создания первых простейших геодезических инструментов. Безусловно, их появление связано с насущными потребностями материальной жизни общества. Поскольку земля в те времена была главным фактором производства, то возникла необходимость в приспособлениях, которые бы обеспечивали измерения земельных участков, их деление и т.д.
Например, живопись на египетских гробницах свидетельствует о том, что в те времена земельные участки измерялись шнуром с узлами. Кроме того, в городах-государствах Египта строятся новые оросительные каналы и водозащитные дамбы, проводятся работы по определению земельных площадей, разбиваются площадки под строительство дворцов, многочисленных храмов и пирамид — все это способствует развитию геодезии.
Геодезические приборы того времени представляют собой элементарные приспособления: мерные жезлы, мерный шнур (веревка), отвесы, линейка, циркуль. Для нивелирования применяли ватерпас – прибор в форме буквы «А» с отвесом при вершине и меткой на перекладине для регистрации отвесной линии.
Ватерпас – это инструмент, внешне похожий на циркуль – основная часть измерительного и, можно сказать, навигационного инструмента.
Второй деталью является размеченная по периметру квадратная рамка (заменяющая транспортир). Третьей составной является отвес. На рисунке выше показано применение инструмента в качестве уровня (проверка горизонтальности).
Таким устройством можно не только определить, горизонтально или вертикально располагается та или иная деталь конструкции, но и измерить угол наклона.
Можно установить пушку под нужным для выстрела углом
Можно измерить расстояние до недосягаемого объекта (например, находящегося на другом берегу реки).
В земледельческих цивилизациях земля составляла единственное и главное богатство государства, землепользователи платили налог с площади земли. Учет, распределение, планирование всех земледельческих работ осложнялось частыми разливами рек, в результате которых уничтожались границы и межевые знаки участков, восстановить которые без помощи знающего геометра было невозможно. Требовалось частое их восстановление и с достаточно высокой точностью. Так, на одном из островов в долине Нила сохранился каменный футшток, заложенный около 2200 лет до н.э.; на глиняных дощечках древних шумеров и вавилонян (возраст более 3000 лет) приводятся планы сооружений и полей, земельных участков с обозначением размеров и площадей; в египетском папирусе, которому более 3800 лет, содержатся правила производства полевых съемок.
В Египте, в специальных школах особо одаренным ученикам давали знания в области геодезии и географии. Ученик должен был уметь измерить площадь поля, составить схему канала, начертить план здания, вычислить размеры и объёмы пруда, различных фигур, в т.ч. и объём полушария. Выпускники школ умели размежевать земельные участки, устанавливать пограничные стелы на границах полей, вести кадастр, рассчитывать ставки налогов, сооружать каналы, дамбы и здания, прокладывать дороги. От планов земельных участков и зданий египтяне переходят к составлению географических карт. Египетские картографы при составлении карт использовали сведения, получаемые от купцов, посещавших дальние края. От военачальников, ведущих непрерывные войны с соседними государствами, поступали сведения о населении, естественных богатствах этих стран, природных условиях.
При сооружении каналов применялись желоба, наполненные водой, и отвесы, подвешенные к концам желобов. Уже в VI в. До н. э. существовали такие крупные инженерные сооружения, как канал между Нилом и Красным морем, оросительные системы в долине Нила. Эти сооружения не могли быть построены без соответствующих геодезических измерений, геодезических инструментов. Большое влияние на развитие геодезических приборов оказало применение методов обработки земельных участков именно с использованием данных ирригационных сооружений. Данное обстоятельство вызвало необходимость в измерительном искусстве и породило измерительную науку — геометрию. При этом главная задача этой науки была связана с функцией «землеизмерения» или «землемерия», т.е. с определением формы и размеров земельных владений и их пространственного положения.
Высочайшего уровня дорожное строительство достигло в Древнем Риме. Характерная черта римских дорог – прямые, с каменным покрытием. Первой такой дорогой была Аппиева, связывавшая Рим с Капуей – широкая, прямая, с покрытием, протянувшаяся через горы, болота и реки. Римские дороги прославились прямолинейностью и долговечностью. Даже в настоящее время по ним все еще можно проехать в Африке и Европе.
Дальнейшему развитию геодезического инструментария способствовали научные достижения Древней Греции. В IV в. до н.э. Аристотель называл геодезией искусство или знание, умение делить на части отдельные участки земной поверхности. Ученые-греки были не только превосходными математиками и геодезистами, но также механиками и конструкторами. Например, солнечные часы (гномон), известные, по-видимому, еще вавилонянам, применяли в Греции для определения меридиана.
Солнечные часы (гномон),— древнейший астрономический инструмент, вертикальный предмет (обелиск, колонна, шест), позволяющий по наименьшей длине его тени (в полдень) определить угловую высоту Солнца. Кратчайшая тень указывает и направление истинного меридиана. Гномоном также называют часть солнечных часов, по тени от которой определяется время в солнечных часах.
Для точности измерения важное значение имеет высота гномона — чем он выше, тем длиннее отбрасываемая им тень, что повышает точность измерения. Для удобства отсчёта на конце гномона было отверстие, которое было ярко видно в тени. Другой способ увеличения точности — находить биссектрису утренней и вечерней тени одинаковой длины: на рассвете и закате скорость изменения длины тени выше и её направление (для заданной длины) устанавливается точнее.
Написанная Героном Александрийским книга «О диоптре» (100 лет до н.э.) служила почти два тысячелетия руководством по практике землемерного дела. В своем сочинении он излагал правила земельной съёмки, описывал диоптру – прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов.
Главной частью Диоптры служила линейка с укрепленными на ее концах визирами. Эта линейка могла вращаться по кругу, который мог занимать и горизонтальное и вертикальное положение, что давало возможность намечать направления, как в горизонтальной так и вертикальной плоскости. Для правильности установки прибора к нему присоединялись отвес и уровень.
Диоптра Геронта применялась при сооружении зданий, каналов, при измерениях неприступных расстояний.
Герон создал также автоматический длиномер, с помощью которого пройденный путь определяли по числу оборотов катящегося колеса.
Одометр Герона Александрийского.
Птоломей впервые описал применявшийся для астрономических наблюдений квадрант-шкалу в четверть окружности, радиусом до 3 м. Гипарху приписывают изобретение астролябии, содержащей лимб и градусные деления. Необходимо подчеркнуть, что астролябию с лимбом принято считать прообразом теодолита.
Астролябия — один из старейших астрономических инструментов, служивший для измерения горизонтальных углов и определения широт и долгот небесных тел. Основан на принципе стереографической проекции.
Таким образом, геодезический инструментарий Древнего мира, как и сама техника измерений, их точность и разнообразие, безусловно, соответствовали своему времени.
Значительные перемены в развитии современных технических средств, программного обеспечения и компьютерной техники определяют новые задачи и роль геодезии.
