Древний период (до 5 века н.э.)

Начатки всех наук надо искать в глубине веков, там, где зарождалась человеческая культура. Первые ростки геодезии появились в эпоху палеолита, примерно 25 тыс. лет назад. Это было связано с повседневной жизнью человека. В то время кочевые племена занимались охотой и бортничеством. Охота зависела от сезонных миграций животных, поэтому насущной потребностью было умение ориентироваться на местности по небесным светилам. Необходимо было также иметь наглядные изображения местности, объясняющие характер ландшафта, пути следования и указывающие расстояния. Примитивные чертежи взаимного расположения отдельных пунктов изображались на песке, на коре деревьев, на кости, на камне. В 1962 г. чешский археолог Б.Клима в Южной Моравии обнаружил обломок бивня мамонта с изображением меандров реки Дея и прилегающих Павловских холмов. Возраст этой древней карты оценивается в 25-27 тыс. лет.

Умение составлять такие чертежи и сейчас сохранилось у эскимосов и полинезийцев. Подобные наглядные изображения своих представлений о земной поверхности встречались 15 тыс. лет назад у древних персов, индусов, китайцев, задолго до появления любых форм письменности. Но от той седой древности сохранилось так мало памятников, что не представляется возможным составить более или менее подробный обзор доисторической эпохи.

Примерно 12 тыс. лет назад древние племена перешли от кочевого образа жизни к оседлому. Зародилось земледелие, которое потребовало ирригационных работ. Появились каналы, дамбы - их строительство было немыслимо без измерительных работ на местности, которые теперь принято называть геодезическими работами. Во многих частях мира сохранились монументальные мегалитические сооружения из огромных каменных плит.

Например, Стоунжендж в Англии, где по кругу диаметром 30 м вертикально установлены плиты высотой до 8.5 м и массой 6-7 т. Большинство серьёзных исследователей склонны считать Стоунжендж древней астрономической обсерваторией.

Оседлый образ жизни заставил людей селиться в городах, окружённых крепостными стенами для защиты от врагов. Люди стали возводить в городах различные постройки, что само по себе требовало производства натурных разбивочных работ.

Археологические исследования и сохранившиеся документы свидетельствуют о том, что в Китае, Вавилоне, Ассирии и Египте за 7 тысячелетий до нашей эры геодезия достигла достаточно высокого уровня. Торговые и хозяйственно-экономические отношения между народами заставили людей изображать очертания тех или иных местностей в их взаимном расположении. Уже в то время выполнялись геодезические работы, связанные со строительством городов, водопроводных каналов, с межеванием земельных участков и маршрутными съёмками путей сообщений. В древнем Вавилоне и Египте, в частности, было известно геометрическое нивелирование горизонтальным лучом, но впоследствии этот метод посчитали недостаточно точным, он был забыт и возродился лишь в 18 в.

Строительство дворцов и храмов требовало участия в строительстве геодезистов высокого профессионального уровня. В качестве примера можно привести древнеассирийский город Арпачия, существовавший около 6 тыс. лет до н. э., и исследованный в ходе археологических раскопок.

В четвёртом тысячелетии до н. э. в междуречье Тигра и Евфрата существовало высокоразвитое государство Аккадия, города которого были чётко спланированы, что невозможно без производства геодезических разбивочных работ. На ряде глиняных табличек, относящихся к 4-му тысячелетию до н. э., имеются планы городов, полей, обводнительных каналов.

В Китае в 11-13 вв. до н. э. были проведены большие геодезические работы по изучению "всей Земли", в которых для линейных измерений земельных участков применялись специальные мерные цепи.

При первых успехах освоения окружающей среды человек наивно решил, что всё видимое вокруг создано исключительно для него: Земля, звёзды, Солнце и Луна. Так возникла геоцентрическая система мира, принимающая Землю за центр Вселенной. Это мировоззрение являлось характерной философской чертой древнего периода, что прямо отразилось на развитии геодезии. В частности, первые карты древнего периода это совершенно чётко отражали.

Например, в Британском музее хранятся несколько вавилонских карт, вытесненных на глиняных табличках. Интересно, что помимо границ государств вавилоняне и ассирийцы показывали и экономические сведения о промышленности, податях, налогах. По мере развития торговых отношений такие наглядные чертежи становятся совершенно необходимыми в далёких сухопутных и морских путешествиях.

В Стамбульском музее хранится древневавилонский план, составленный за 3 тыс. лет до н. э. На нём изображены владения одного из царей того времени. На плане представлены подсчёты площадей изображённых владений, выполненные в "две руки", т.е. приёмом, широко применяющимся в настоящее время.

Сохранился до наших дней папирус с картой Персии, составленный около 4.5 тыс. лет назад, на обратной стороне которого выполнены подсчеты размеров площадей, изображенных на карте.

В Туринском музее хранится карта на папирусе времён Рамсеса II, созданная примерно 1300 лет до н. э., которая изображает золотоносные области между Нилом и Красным морем. По-видимому это праобраз специализированных, в данном случае, геологических карт.

Вообще следует заметить, что карты на папирусе, дошедшие до наших дней сравнительно редки. Папирус недолговечен, легко ломается при сгибе. вследствие этого его сворачивали в свиток, наматывали на специальный стержень и хранили в особом футляре.

Достоверно установлено, что в Египте за несколько тысяч лет до н. э. умели выполнять съёмки земельных участков. Так на египетском папирусе, возраст которого оценивается 3800 лет, были обнаружены правила полевых съёмок. Стимулом к их разработке, по-видимому, послужила необходимость восстановления границ участков, расположенных в долине Нила, вследствие уничтожения межевых знаков при ежегодных разливах.

Знания в области инженерной геодезии были необходимы и при возведении таких грандиозных сооружений, как египетские пирамиды, построенные с большой геометрической точностью. В частности, повторные обмеры египетских пирамид позволили установить, что точность линейных измерений характеризовалась тогда относительной ошибкой 1:3000, углов - 3-4', превышений - 3-5 мм. Египтяне могли с высокой точностью измерять и откладывать на местности линии значительной длины - до 15 км.

Однако окружающий мир за пределами своей страны египтяне знали плохо. Земля им представлялась полосой, ограниченной с севера Средиземным морем, с востока и запада - соответственно Аравийской и Ливийской пустынями, а с юга - Сиеной (теперь Асуан).

Также исключительно только своей страной ограничивали свой кругозор и древние греки. Даже о соседней Италии у них были смутные представления, а об Африке они знали лишь как об узкой полоске земли за морем.

Землю древние греки представляли себе плоским кругом, покрытым водой. В центре этого круга возвышается другой круг - собственно Земля, которую пешеход мог, якобы, обойти за один год. Представление о круге было вызвано линией горизонта.

Гомер называл обитаемую Землю "Ойкумена", а воду, её омывающую - рекой "Океан". Считалось, что за рекой "Океан" располагается царство теней, недоступное для человека. Указанные представления очень долго жили среди людей древнего мира, и даже сохранились и в средние века.

В 6 веке до н. э. у греков появились первые карты всего мира в виде некоторых схематических рисунков. Так, Анаксимандр (ок. 610-546 до н. э.) первым составил карту Земли в виде омываемого водой круга, им же

была составлена первая физическая карта Греции в прямоугольной проекции.

Постепенно границы мира у греков расширялись и уже у Геродота (485-425 до н. э.) на картах Земля простирается на север до юга современной России, на восток - до реки Инд, на запад - до Геркулесовых столбов (Гибралтар), а на юг - до области Нила.

Начинает завладевать умами философов идея шарообразности Земли, а закрепилась она благодаря авторитету и трудам Аристотеля (384-322 до н. э.), на которого безусловно огромное влияние оказали походы Александра Македонского, расширившие представления греков об окружающих землях. Аристотель первым приводит длину земной окружности в 400 тыс. стадий, т.е. 63 тыс. км. Как видим, эта первая попытка определения оказалась завышенной примерно в 1.5 раза.

Интересная деталь: говоря о шарообразности Земли, Аристотель высказал мысль о том, что океан, омывающий с одной стороны берега Испании, с другой омывает берега Индии, и это за 1800 лет до Колумба!

Кстати, у Аристотеля впервые появляется слово "геодезия", которое образовано из греческих слов "гео" - земля и "десомос" - разделение. Дословный перевод - землеразделение. Однако есть основания полагать, что Аристотель подразумевал под этим словом некоторую прикладную науку, имеющую дело с конкретными площадями и объемами и в сочинении "Метафизика" противопоставлял ее геометрии, науке сугубо теоретической.

В 4 веке до н. э. было положено начало построению картографических проекций. Ученик Аристотеля Дикеарх Мессинский (350-290 до н. э.) ввел на своих картах "диафрагму" - линию, проходящую через Средиземное море от Геркулесовых столбов через о. Родос до восточных окраин Азии. Перпендикулярно к ней расположил линии, соответствующие нынешним меридианам. Линии были разделены на стадии, что облегчало нанесение пунктов на карту. Отсюда появись названия "долгота" и "широта", т.е. первоначально длина и ширина Средиземного моря.

Дикеарх же первый выполнил так называемые "градусные измерения", т.е. непосредственно из измерений определил размер земного шара. С этой целью он измерил зенитные расстояния одной и той же звезды на разных широтах: у Дарданелл и в Сиене (ныне Асуан). Эта разность получилась равной 24⁰ (в те времена для измерения углов градусами не пользовались, а выражали их в долях окружности). Зная расстояние между упомянутыми пунктами, Дикеарх получил длину окружности Земли 300 тыс. стадий, т.е. более реалистичное значение, чем Аристотель.

Однако нас при этом должны интересовать не столько полученные значения длины окружности Земли, сколько сам факт постановки и решения этой проблемы. Весьма показательно, что методика Дикеарха осталась практически неизменной в своей основе и до сих пор.

В это же время греческий астроном Аристарх Самосский (310-230 до н. э.) первым высказал идею гелиоцентризма. В соответствии с его взглядами Земля совершает суточное вращение вокруг своей оси и годичное обращение вокруг Солнца, которое находится в центре Вселенной. Все планеты тоже вращаются вокруг Солнца, кроме Луны, которая движется вокруг Земли. Таким образом, Аристарх является творцом гелиоцентрической системы мира, которую впоследствии отстаивал Николай Коперник. Гелиоцентрические взгляды Аристарха были чрезвычайно смелыми для того времени и не были приняты. Обвиненный в ереси, Аристарх бежал из Афин.

Еще одну попытку измерить окружность Земли предпринял в 240 г до н. э. астроном, геодезист и математик Эратосфен Киренский (276-194 до н. э.). Весьма остроумной была методика этой работы. Эратосфен знал, что в Сиене есть колодец, дно которого в день летнего солнцестояния освещается Солнцем, т.е. строго говоря, находится в зените. В тот же день в г. Александрия, расположенном примерно на том же меридиане, Солнце отклоняется к югу от зенита на 1/50 часть окружности, т.е. на 7⁰12`. Дугу окружности в Александрии Эратосфен измерял с помощью прибора "скофис" - чаши полусферической формы, в центре которой установлен стержень. Тень от стержня показывала дугу отклонения Солнца от зенита. Кроме того, Эратосфен знал расстояние между Сиеной и Александрией - 5 тыс. стадий. Из этих данных Эратосфен получил значение окружности Земли - 250 тыс. стадий. Чуть позже Эратосфеном или кем-то из его современников длина окружности Земли была принята 252 тыс. стадий, т.е. 39690 км, что очень близко к сегодняшним значениям.

К этому же времени относится переход на градусную меру при определении углов. Само слово "градус" означает по латыни "шаг", т.е. путь Солнца по эклиптике за одни сутки.

Огромные знания Эратосфена в области астрономии, геодезии и географии позволили ему создать карту Земли, которая, изменяясь лишь в деталях, служила до конца 1 века н. э. На этой карте размер Ойкумены взят в 2 раза больше по долготе, чем по широте. Земля изображалась как овальный остров с внедряющимися в него морями: Средиземным на западе, Красным и Персидским на юге, Каспийским - на севере, причём последнее непосредственно соединялось с Северным океаном. Карта имела сетку меридианов и параллелей. пересекающихся под прямыми углами. Однако географическая сетка Эратосфена ещё не опиралась на какие-либо научные принципы, была по своей сути произвольной.

Научные принципы в деле составления карт заложил другой александриец - Гиппарх (180-125 до н. э.). Он на своих картах разделил впервые экватор на 360 частей, ранее его делили на 60. При этом длину дуги в 1 градус принимал равной 700 стадий, т.е. 110 км (современное значение 111 км). На карте Гиппарха уже показаны берега Англии, Исландии и Шотландии.

Гиппарх был величайшим астрономом древности, по существу основоположником геодезической астрономии. Он превзошёл своих предшественников в искусстве наблюдений, составил звёздный каталог, где весьма точно указал местоположение 1022 звёзд, ввёл деление звёзд на шесть групп по яркости. Гиппарх первым стал определять местоположение пунктов земной поверхности из астрономических наблюдений, причём назвал расстояние от экватора к полюсам до данного пункта широтою, а расстояние к востоку или к западу от начального меридиана - долготою. Он первым предложил для определения долготы наблюдать за затмениями Луны.

Гиппархом открыта вековая составляющая изменения положения оси вращения Земли в пространстве (а, следовательно, и полюсов Земли) - прецессия, лишь через 8 веков получившая теоретическое объяснение в трудах И. Ньютона (1687 г.)

Гиппарх усовершенствовал астрономический прибор, применил зрительную трубу (но ещё без оптики) для устранения боковой засветки, для повышения точности визирования применил сетку нитей. Кстати уже в то время существовал прототип современного нитяного дальномера.

Хотя шарообразность Земли была признана и даже был сделан первый известный нам глобус (Кратесом из Милоса, 150 г. до н. э.), размеры и форма обитаемой её части не были до конца определены. Землю изображали то в виде острова, то в виде трапеции или круга. Допускалось и существование неизвестных материков к югу от экватора, населённых неведомыми антиподами.

Первым, кто принял Землю за шар при создании карты мира, был Мартин Тирский, живший около 1000 лет до н. э. Он же первым нанёс на карту полную градусную сеть. Вообще по дошедшим до нас картам можно проследить, как постепенно расширялись границы познаваемого мира. В частности, Старбон (63 до н. э. - 14 н. э.) на своей карте изобразил Землю в виде огромного острова с размерами по долготе в 70 тыс. стадий (от берегов Исландии до восточных окраин Индии) и по широте в 30 тыс. стадий (от южной части Ливии до Ирландии). Ему же принадлежит первая попытка классификации форм рельефа.

Итог всему, что было сделано в геодезии к данному моменту подвёл Герон Александрийский (1 век н. э.). В дошедших до нас его книгах "О диоптрах" и "Метрика", приведено описание геодезических работ, инструментов, в том числе "диоптры" - угломерного инструмента - прообраза теодолита, а также правила и формулы для расчёта различных геометрических фигур.

С точки зрения обобщений полученных знаний и формулирования мировоззрения того времени исключительный вклад принадлежит астроному, геодезисту и географу Клавдию Птолемею (87-165 г. н. э.), главным делом которого признаётся труд "Мегале Синтаксис" (Великое сочинение), или "Альмагест", состоящий из 13 книг. В этих книгах изложена система мира, где Земля принята за неподвижный центр Вселенной. Эта система Птолемея, считавшегося долго непогрешимым авторитетом, под покровительством католической церкви просуществовала до 16 века, до Н. Коперника. Однако, в последние годы установлено, что большинство наблюдений, описанных в сочинениях К. Птолемея и легших в основу геоцентрической картины мироздания, к сожалению, были искажены или подделаны, а основные достижения античного мира изложены необъективно.

Вместе с тем Птолемею принадлежат исключительная роль в развитии практической астрономии и геодезии. В частности, им разработана теория и составлены таблицы астрономической рефракции. Именно Птолемей ввёл термин "топография" для обозначения рельефа, существенно улучшил карту Земли, первым применил правильную географическую сетку.

На своей карте Птолемей продлил сушу на неопределённое расстояние, до краёв карты, отвергнув тем самым предположение об островном характере обитаемой части Земли. Известные ему пределы расширились на север до Скандинавии, которая показана в виде острова, и до нынешней северной России. Каспийское море на карте Птолемея показано замкнутым, с впадающей в него рекой Ра (Волга). Но Птолемей, как и Эратосфен, изобразил Каспий в виде бассейна, вытянутого с запада на восток. Эта ошибка была исправлена только в 18 веке. На восток пределы познания мира при Птолемее расширились до Китая, на юг - до широт о. Занзибара.

Как и Мартин Тирский, Птолемей на своих картах за начальный меридиан принимал меридиан Канарских островов, которые в те времена были самой западной известной точкой. Птолемей также как и его предшественник считал протяженность Средиземного моря по долготе равной 62⁰ вместо истинных 42⁰. Вместе с тем длину земной окружности Птолемей считал равной 180 тыс. стадий, а границу Старого Света указал до нынешнего положения восточного края Австралии. Эта ошибка в дальнейшем сыграла огромную роль. Колумб уверился в узости пространства между западной Европой и восточной Азией и пустился в рискованное путешествие.

Мы специально так подробно остановились на роли древнегреческих ученых и философов в развитии геодезии и создании общей картины мироздания, поскольку именно ими фактически были заложены все начала геодезии как науки и выдвинуты основополагающие идеи о строении Вселенной. Однако это вовсе не умаляет значения достижений в этой же области в других государствах - в первую очередь, в древнем Китае и Римской империи. К тому же при рассмотрении общей картины развития рассматриваемого вопроса нельзя забывать о практически полном отсутствии контактов между государствами того времени и отсюда весьма обособленном развитии отдельных наук. В полной мере это относится и к геодезии.

Китайская цивилизация зародилась в бассейнах рек Хуанхэ и Янцзы в 5 тысячелетии до н. э. Здесь вследствие специфических географических условий весьма высокого уровня достигло строительство гидротехнических сооружений, в том числе ирригационных систем, плотин, дамб и шлюзов. Безусловно это требовало развития землемерных работ, методов съёмки поверхности, создания планов и карт. Первые карты, по упоминаниям древнекитайских письменных источников, относятся к 9 веку до н. э. Их использовали во время походов и боевых действий. На картах изображали линии берегов, заливы, острова, порты, реки и горы. Особым образом отмечали архитектурные сооружения, служившие ориентирами в пути: пагоды, храмы, мосты.

С конца 7 века до н. э. под влиянием астрального культа, распространённого на Дальнем востоке (ещё одна особенность Востока), получила сильное развитие астрономия. Китайские астрономы умели вычислять наступление солнечных и лунных затмений. На рубеже 5 и 4 веков до н. э. философ Ле-Цзы развивал учение о происхождении и развитии Вселенной, весьма близкое к представлениям об атомистическом строении вещества. В 3 веке до н. э. был составлен звёздный каталог, где видимые звёзды были классифицированы по созвездиям. Во 2 веке до н. э. была изобретена бумага, и в течение многих веков китайцы единолично владели секретом её изготовления.

Характерной особенностью философского миросозерцания древних китайцев являлась вера в единство естественного и сверхъестественного миров. Они поклонялись и приносили жертвы Солнцу, Луне, созвездиям, рекам, горам и душам покойных, придавая исключительное значение ритуальной стороне. Традиционно мистическим было отношение к окружающему миру, населённому духами, богами и демонами. Возникла целая специфическая наука "геомантия". Это было искусство приспособления жилищ и мест захоронения к топографическим условиям местности. "Счастливые" места для дома или могилы выбирали, исходя из рельефа, растительного покрова, направления ветров и течения вод. Геомантия предполагала защиту мест обитания, как сейчас бы сказали, от вредных воздействий окружающей среды. Эта наука требовала описания и оценки рельефа, определения ориентации строений, долин и возвышенностей, рисовых полей и лесных массивов, рек и озёр. В этой части геомантия была тесно связана с топографией.

Дошли до наших дней и образцы китайских карт того времени. В одном из погребений были, в частности, обнаружены две карты второй половины 2 века до н. э. Первая из них нанесена на кусок шёлка размером 96х96 см. Она ориентирована на юг и содержит основные элементы рельефа, реки, дороги, и часть береговой линии. На карте помечено местоположение более 80 населённых пунктов. Примерный масштаб карты - от 1:150 000 до 1:200 000.

Вторая карта - кусок шёлка размером 98х78 см, вверху и у левого обреза имеются пометки "юг" и "восток". Помимо обозначений водных артерий и горных хребтов на карте есть около 50 наименований населённых пунктов и трёх крепостей. Приведены сведения о населении и показана численность дворов (семей) в населённых пунктах. Примерный масштаб карты 1:80 000 - 1:100 000.

Однако самым выдающимся событием, сыгравшим огромную роль для человечества и, в частности, для развития геодезии, явилось изобретение компаса.

Вначале был изобретён прибор, названный "указателем юга". Он состоял из квадратной железной пластины со свободно вращающейся на ней магнитной "ложкой", ручка которой неизменно показывала на юг. Южное направление было вообще главным в философском восприятии китайцами окружающего мира.

В древних китайских энциклопедиях имеются сведения о том, что между 300 и 400 г.г. до н. э. магнитная стрелка использовалась для ориентации. Достоверно известно, что с 1 века н. э. "указатель юга" стали применять как мореходный компас. Название "компас" произошло как сокращение двух латинских слов "комес пассум" - указатель пути. Края китайского компаса были окрашены в четыре цвета. Красный означал юг, чёрный - север, зелёный - восток и белый - запад. Сам компас имел 24 деления, которые, в свою очередь, были поделены пополам, что давало выбор 48 направлений с интервалами 7.5 градусов.

На суше примерно в то же время была создана оригинальная конная повозка, "указывающая на юг". На ней было установлено механическое устройство, фиксирующее отклонение дышла от заданного направления.

К этому же времени периода правления династии Хань относится создание глобуса (Чжан Хэн, 78-139 н. э.), воспроизводящего движения небесных тел. Был создан первый в мире сейсмограф.

Компас использовался очень широко в мореплавании, межевании и горном деле при выполнении маркшейдерских работ в рудниках, при этом китайские специалисты уже вводили поправки за температуру при измерении длин.

Ханьские учёные успешно познавали законы природы и гармонии. Была создана уникальная "абсолютная" система мер и весов. Эталоном линейной меры служила длина трубки бамбуковой свирели, рассчитанной на определённую ноту. По длине этой трубки умещалось 90 просяных зерен. Диаметр зерна был минимальной мерой длины, а его масса - минимальной мерой массы.

Геодезия получила существенное развитие и в древнем Риме. Значительные объёмы геодезических работ производились при разбивке земель на арендные участки с целью создания земельного кадастра. Эту работу проводили специальные мерщики, но так как при этом в основном преследовалась юридическая сторона дела, точность этих измерений и их научная значимость были невелики.

Помимо кадастровых съёмок геодезические методы широко применялись в Древнем Риме при строительстве зданий, сооружений, в частности, тоннелей и акведуков. В последних случаях требовалась очень высокая точность измерений - до 1:50 000. Длина отдельных участков римского водопровода составляла несколько десятков километров, а акведук Марцелия имел протяжённость свыше 91 км.

Древние римляне прежде всего стремились к господству над соседними народами, а не к решению научных проблем. Практическому складу ума римлян было чуждо теоретическое познание, столь характерное для греческой научной мысли. Примечательно, что из их среды не вышло ни одного значительного учёного, хотя Рим прославился замечательными поэтами, ораторами, историками. Математика, геодезия и астрономия в научном отношении у римлян находилась на более низком уровне, чем у греков. Методы и техника измерений со времён Древнего Египта существенно не изменились.

Геодезические знания греков римляне очень широко использовали для военных целей. По указу Юлия Цезаря (100-44 г. до н.э.) с 50 г. до н.э. была начата масштабная работа - съёмка всех дорог Римской империи. При съёмке создавались лентообразные дорожные (маршрутные) карты, содержащие отрезки военных дорог, названия мест и указания расстояний между ними. При измерении дорог широко использовали мерное колесо - одометр, обеспечивавший точность измерения примерно 1:300. Дороги обозначались прямыми линиями, без углов поворота. Леса изображали группами деревьев, города - домиками, горы - холмиками. На создание карты империи потребовалось 30 лет.

В течение столетий римляне стремились покорить Европу, но имели о ней очень смутное представление. Они почти ничего не знали о Балтийском море, Скандинавии, которую считали островом, но им сравнительно хорошо был известен восток до Цейлона и Ганга. Ничего не знали они и о западной и северной России, а Каспийское море изображали на картах как залив Тихого океана.

После крушения Римской империи Византия приняла пальму первенства у Рима и частично сохранила наследие античности, но начала яростную борьбу с наукой. Забывались достижения древних греков. Геодезия в Византии не создала ничего нового, даже не сумела сохранить то, что ей досталось в наследство от греков.