История возникновения Балтийской системы высот

Оглавление

Введение

Балтийская система высот (БСВ) — принятая в СССР в 1977 году система абсолютных высот, отсчёт которых ведётся от нуля кронштадтского футштока. От этой отметки отсчитаны высоты опорных геодезических пунктов, которые обозначены на местности разными геодезическими знаками и нанесены на карты. В настоящее время БСВ используется в России и ряде других стран СНГ. Нуль Кронштадтского футштока представляет собой многолетний средний уровень Балтийского моря. Система высот по данному исходному пункту создавалась при помощи наземных геодезических измерений, методами нивелирования I и II классов. Для распространения единой системы высот по территории страны применяется Государственная нивелирная сеть (является частью Государственной геодезической сети). Главной высотной основой сети являются нивелирные сети I и II классов. Кроме установления Балтийской системы высот, они используются для решения научных задач: изучение изменения высот земной поверхности (земной коры), определения уровня воды морей и океанов и т. д. Как минимум, каждые 25 лет проводится повторное нивелирование всех линий нивелирования I класса и некоторых линий II класса. Нивелирная сеть I класса состоит из сомкнутых полигонов периметром 1200—2000 км. Средняя ошибка определения высоты — менее 0.8 мм на 1 км хода. Нивелирная сеть II класса образует полигоны с периметром в 400—1000 км. Средняя погрешность определения высоты — менее 2 мм на 1 км хода.

 
 
История возникновения Балтийской системы высот.

Важнейшим вопросом, существенно влияющим на безопасность мореплавания, является вопрос выбора исходной поверхности, от которой ведётся отсчёт высот и глубин, помещаемых на карте. С давних времён за такую поверхность принимался средний уровень моря. Определение положения такой поверхности требует проведения систематических наблюдений за уровнем моря в течение многих лет. Первым в Европе для этих целейбыл Амстердамский футшток, установленный 1 сентября 1684 года. Закреплённая им уровенная поверхность, называемая Система высот Амстердама (Amsterdam Ordinance Datum) или Амстердамский нуль высот (Normal Amsterdams Peil), принята во многих странах северной Европы. Стимулом для организаций таких наблюдений в России послужило развитие русского военного флота.

Регулярные наблюдения за уровнем моря в военно-морской крепости Кронштадт (о. Котлин в Финском заливе Балтийского моря) были начаты в 1703 году по указанию Петра Первого, так как при сооружении береговых укреплений пришлось считаться с колебаниями уровня моря. В то время средний уровень моря назывался “ординарной водой” или “ординаром” . Высота ординарной воды отличалась на воротах шлюзов и стенках Морского канала в Кронштадте. Первые водомерные рейки (футштоки) в России были установлены в Кронштадте и в Петербурге в начале XVIII века. К сожалению, данные наблюдений тех лет утеряны. Один из таких футштоков был установлен в Кронштадте в Купеческой гавани у быка Синего моста через Адмиралтейский (Обводной) канал в 1800 году. С того времени и до наших дней он служит для измерения колебаний уровня Балтийского моря.

Первые водомерные рейки, установленные в Финском заливе и в устье Невы, нужны были для наблюдений за изменением уровня воды, чтобы обеспечивать безопасность судоходства на этой сложной в навигационном отношении акватории. В XVIII веке наблюдения за уровнем моря в Финском заливе, сочетающиеся с промерными работами, проводились исключительно в целях составления навигационных карт и руководств для плавания. Именно здесь и в это время зарождалась отечественная гидрография. Необходимость выбора единой отсчётной поверхности для измерения высот гор, холмов, сооружений проявился в начале XIX века, когда в России начались масштабные геодезические работы. К тому времени уже были разработаны основныеметоды нивелирования.

Нивелированием называется определение высот точек земной поверхности относительно некоторой избранной поверхности. В начале XIX века применялись геометрические, тригонометрические и гидростатические методы нивелирования. При геометрическом нивелировании определяют разность высот точек земной поверхности при помощи горизонтального визирного луча, измеряемого при помощи специального геодезического инструмента, называемого нивелиром. Геометрическое нивелирование предполагает, что высота одной точки уже известна, а с помощью нивелира определяется высота второй.

 Если эти точки расположены  друг от друга на большом  расстоянии, то путём последовательных  перестановок нивелира определяют  высоты промежуточных точек. Так  формируется так называемый нивелирный  ход. Тригонометрическое нивелирование  подразумевает определение разности  высот между двумя точками  земной поверхности по вертикальному  углу, измеренному из точки с  известной высотой, и по известному  расстоянию между точками. Понятно, что тригонометрическое нивелирование  уступает в точности геометрическому, но позволяет гораздо быстрее  выполнить геодезическую съёмку.

Гидростатическое нивелирование определяет разность высот на основе использования свойства жидкостей устанавливаться в сообщающихся сосудах на одинаковом уровне. Этот способ был ещё известен в древнем Египте. Гидростатическое нивелирование применялось и применяется поныне не только в геодезии, но и в строительстве гидротехнических сооружений, в кораблестроении в тех случаях, когда применение нивелиров невозможно. Точность передачи уровня при гидростатическом нивелировании достигает ±0,2 мм . Первые геодезические определения высот точек земной поверхности в России были проведены методом тригонометрического нивелирования.

Начиная с 1816 года, оно было выполнено по всей Русско-Скандинавской дуге.В 1836 - 1837 годах А. Н. Савич и Е. Е.Саблер под общим руководством В. Я. Струве осуществили тригонометрическое нивелирование между Таганрогом и Чёрным Рынком для определения разностей уровней Азовского и Каспийского морей. Ими был проложен нивелирный ход протяжением 878,6 км с определением высот ряда гор Кавказа: Казбека, Эльбруса, Бештау и др. Уровень Каспийского моря по их определению оказался на 26 м ниже Азовского моря, то есть близким к его значению, полученному впоследствии из высокоточного геометрического нивелирования.

Тригонометрическое нивелирование широко применялось вплоть до начала 1870 года. С 1873 года в определении высот стало применяться геометрическое нивелирование. В начале XIX века наблюдения за уровнем моря в Финском заливе приняли систематический характер. В 1837 году Петербургская академия наук по случаю новой инструментальной съёмки прибалтийских берегов обратилась в Морское министерство с просьбой поручить известному русскому гидрографу вице-адмиралу Михаилу Францевичу Рейнеке (1801- 1859) с целью изучения смещения береговой линии вырубить на скалах Финского залива специальные знаки, наподобие финских и шведских, и определить их высоты над ординарной водой Балтийского моря.

Эта работа была начата с упорядочения существующей уровнемерной сети, в результате которого к 1840 году были переопределены и закреплены высоты нулей отечественных футштоков над средним уровнем моря, вычисленным М. Ф. Рейнеке за период с 1825 по 1840 год. Полученный средний многолетний уровень Балтийского моря был в 1840 году закреплён в виде черты, выбитой на гранитном устое Синего моста в Кронштадте, с которой в дальнейшем совмещались нули уровнемерных реек. Этот уровень, который в дальнейшем получил название “нуль Кронштадтского футштока”, по предложению Главного штаба с 1872 года стал использоваться для отсчёта всех высот в Российской империи .

До этого выбитая черта называлась “меткойРейнеке”. Позднее, в 1886 году, этот уровень был привязан к стоящему невдалеке памятнику другому известному русскому гидрографу Петру Кузьмичу Пахтусову (1800 - 1835) к горизонтальной высечке буквы “П” в слове “ПОЛЬЗА”. В эти же годы выявился главный недостаток выбранного места наблюдений за колебанием уровня моря.

 Заключался он в  необходимости точной передачи  среднего многолетнего уровня  на материк. Впервые нивелирную  связь установили в 1872 году для  нивелир-теодолитного хода по  Балтийской железной дороге. Путём  сложных измерений высота нуля  Кронштадтского футштока была  перенесена на материк и закреплена  маркой № 173 Главного штаба, а  в 1892 году маркой Ф. Ф. Витрама, заложенной в здание железнодорожного вокзала станции Ораниенбаум (г. Ломоносов). Эти марки долгое время служили исходными высотами при производстве нивелирования на территории нашей страны.

Марка № 173 во время Великой Отечественной войны была уничтожена. В период с 1873 по 1876 год между Петербургом и Москвой была проложена первая линия геометрического нивелирования. Точные нивелировки стали закрепляться на местности металлическими грунтовыми и стенными реперами и так называемыми марками, вмурованными в стены каменных зданий. Военными геодезистами был разработан новый способ точного геометрического нивелирования, получивший название “русского”. В 1881 году была утверждена программа и проект точного нивелирования на Европейскую часть России.

Проектом предусматривалось связать геометрическим нивелированием Балтийское и Чёрное моря и распространить единую систему высот до Оренбурга. В 1975 году А. А. Тилло и В. Е. Фусс выполнили ещё одно нивелирование по льду с целью более точной привязки марки на материке к нулю Кронштадтского футштока. В 1884 году А. А. Тилло составил сводку всех гипсометрических данных России, в которой абсолютные высоты вычислены от среднего уровня Балтийского моря. В 1886 годуФ. Ф. Витрам установил медную доску с чертой, соответствующей высечке, сделанной М. Ф. Рейнеке. В 1886 и 1888 годах В. Е. Фусс и В. А. Астафьев произвели повторное нивелирование по льду.

В 1894 году Военно-топографическим отделом Главного штаба издан каталог высот русской нивелирной сети, составленный С. Д. Рыльке, где в качестве исходных данных для нивелирования использован средний уровень Балтийского и Чёрного морей. К этому уровню до 1934 года относились все нивелировки, связанные непосредственно с нивелирной сетью, уравненной С. Д. Рыльке. В конце XIX века нивелирная сеть России была связана с нивелировками Германии и Австро-Венгрии, что позволило определить разности уровней Балтийского, Северного и Эгейского морей. После Русско-Скандинавского градусного измерения это был второй случай, когда полевые работы завершились строгой математической обработкой. Было выявлено, что уровни Балтийского, Чёрного, Северного и Эгейского морей, футштоки которых были включены в нивелирную сеть, не совпадают. Поскольку это явление оказалось неожиданным и не находило другого объяснения, кроме влияния погрешностей измерений, то уровни Балтийского и Чёрного морей посчитали одинаковыми.

Так в России была введена Балтийско-Черноморская система высот, просуществовавшая до 1934 года. С 1901 года началось нивелирование вдоль Транссибирской магистрали. Благодаря самоотверженному труду военного геодезиста А. А. Александрова, в 1911 году нивелирование достигло Байкала - района с высокой сейсмичностью. Именно здесь вычислители Военно-топографического управления, анализируя материалы повторного нивелирования по законченной в 1928 году во Владивостоке Транссибирской нивелирной линии, выявили деформации земной поверхности в результате землетрясений. Однако идея использования точных нивелировок для изучения современных вертикальных движений земной коры в России возникла при анализеаварий, связанных с разработкой нефтяных месторождений в районе Баку.

Здесь надо отметить важный исторический факт: в период с 1910 по 1912 год впервые в мире Корпус военных топографов создал на Апшеронском полуострове Каспийского моря полигон по изучению вертикальных подвижек земной коры.

Окончание нивелирного хода во Владивостоке в 1928 году позволило привязать Тихоокеанскую систему высот с Балтийским морем. В ознаменование этих работ на здании железнодорожного вокзала станции Владивосток была укреплена чугунная доска с чертой, от которой отсчитывался уровень Балтийского ординара. Доска сохранилась до сих пор. Конец XIX века характеризуется созданием постоянных уровенных постов на всех морях, омывающих Европейскую часть России.

Постоянные уровенные посты представляют собой капитальные сооружения, предназначенные для непрерывного длительного наблюдения за уровнем моря в любую погоду и в любой сезон года с целью определения среднего многолетнего уровня моря и нуля глубин с высокой точностью и надёжностью, а также для определения поправок к измеренным глубинам в пределах зоны действия . Постоянные уровенные посты оснащаются самописцами уровня моря (мареографами), предназначенными для автоматической регистрации на бумажную ленту колебаний уровня моря. Первый постоянный уровневый пост с мареографом был построен в 1898 году в непосредственной близости от Синего моста в Кронштадте. В 1913 году заведующий инструментальной камерой Кронштадтского порта Х. В. Тонберг установил новую медную доску на устой Синего моста взамен прежней, выпавшей и утерянной.

На геодезическом совещании в 1926 году было принято несколько следующих важных решений: 
- нивелирование высокой точности признать работами, имеющими большое научное значение; 
- считать нуль Кронштадтского футштока основным нулём всех высот в СССР; 
- в самое непродолжительное время завершить нивелирнуюсвязь Чёрного и Белого морей и связь Балтийского моря с Тихим океаном; 
- признать необходимым установление нивелирной связи всех водомерных постов между собой. 

Под руководством Н. А. Павлова из ЦНИИГАиК в 1931 году Гидрографическим отрядом, в состав которого входили Н. Ю.Рыбалтовский, В. В. Копосов, В. В. Степанов и другие, было выполнено геометрическое нивелирование по льду Финского залива с установкой реек на сваях, вбитых в грунт. Всего было забито 58 свай через 100 м.В 1933 году было выполнено второе после 1894 года уравнивание нивелирной сети страны. Сеть состояла уже из 106 линий общим протяжением 69450 км. Нивелирные ходы соединили Кронштадтский футшток с уровнемерными постами Белого, Чёрного, Азовского морей и бухты Золотой Рог во Владивостоке. По результатам вычислений уровень Чёрного моря на футштоках Севастополя, Одессы, Феодосии и Новороссийска оказался ниже Балтийского на 0,41 м, а Азовского моря - на 0,39 м.

В уравнивание 1933 года были включены нивелировки, выполненные только в Европейской части СССР, хотя уже имелась нивелирная связь с Владивостоком. Причиной послужило большое расхождение в 1,873 м на стыке Европейской и Сибирской нивелировок. Поэтому в 1934 году в Сибири было признано целесообразным сохранить Тихоокеанскую систему высот. Принятое Советом Министров СССР 7 апреля 1946 года Постановления “О введении единой системы геодезических координат и высот на территории СССР” предписывало считать за исходный уровень высот уровень Балтийского моря по наблюдениям на Кронштадтском футштоке. Поскольку средний многолетний уровень моря не является достаточно определённой величиной, так как имеет вековые колебания и, кроме того, зависит от периода осреднения и принятой методики вычислений, то в течение многих лет не было единства в установлении измеренных высот.