Determinar la forma de la Tierra, su campo de gravedad y las posiciones geométricas de los puntos terrestres es tarea de la geodesia y la base de la topografía y la cartografía. La geodesia, desarrollada originalmente para determinar la forma de la Tierra, es una disciplina antigua.
El concepto de que la Tierra es una bola redonda existe desde la antigüedad. Los egipcios midieron el tamaño de la esfera en el siglo III a.C., pero sus mediciones aún no eran lo suficientemente fiables. Una delegación de la dinastía Tang y Nangong de China dijo que en el año 724 d. C., se midieron en muchos lugares la longitud de la sombra del solsticio de verano y la altura del Polo Norte. Sus resultados, convertidos a unidades modernas, mostraron que la longitud del meridiano era de aproximadamente 132,3 kilómetros, sólo un 20% mayor que el valor moderno. A finales de 1700, Newton estableció la teoría de la tierra plana desde una perspectiva mecánica, creyendo que la Tierra era un elipsoide con polos ligeramente planos. Esta teoría fue confirmada por los resultados de los estudios geodésicos franceses de 1735 a 1744. De la teoría de la tierra redonda a la teoría de la tierra plana, fue un salto en la comprensión de la humanidad sobre la forma de la Tierra, pero tomó dos mil años.
En 1743, el francés A.C. Claillo demostró la relación matemática entre el achatamiento geométrico y el achatamiento dinámico de la Tierra, sentando las bases de la geodesia física. Antes de esta época, la geodesia utilizaba únicamente métodos geométricos, conocidos como geodesia geométrica. Los métodos geométricos y físicos se complementan para resolver las tareas de la geodesia, enriqueciendo enormemente el contenido de la geodesia
Desde un punto de vista mecánico, la forma de la Tierra se define como el geoide, y el geoide es una física La superficie es ortogonal a la dirección de la gravedad en todas partes, por lo que es una representación geométrica del campo de gravedad de la Tierra. El valor de la gravedad en el punto del suelo está relacionado con la distribución de masa dentro de la Tierra, por lo que la forma de la Tierra está relacionada con la estructura interna de la Tierra. El geoide está más cerca de la verdadera forma de la Tierra que el elipsoide, lo que supone otro avance en la comprensión humana de la forma de la Tierra.
Cuando Clello derivó su fórmula, hizo algunas suposiciones sobre la distribución de masa dentro de la Tierra. Sir G.G Stokes del Reino Unido desarrolló aún más la geodesia física en 1849 y propuso la teoría de utilizar el valor de gravedad del geoide para determinar la forma del geoide. Esta teoría requiere que no haya masa fuera del geoide, por lo que al convertir los valores de gravedad medidos en el suelo al geoide, se debe tener en cuenta la masa fuera del geoide. Sin embargo, esta reducción no puede aplicarse estrictamente. Para superar esta dificultad, M.C. Molodinsky de la Unión Soviética propuso en 1945 la teoría de utilizar directamente los datos de la gravedad del suelo para estudiar la forma de la Tierra. Pero ambas teorías requieren mediciones de la gravedad global. Hasta ahora ha sido difícil resolver la cuestión de la forma de la Tierra independientemente de las mediciones de la gravedad.
La aparición de la geodesia por satélite a finales de la década de 1950 trajo enormes cambios a la geodesia. Rompe las limitaciones de la geodesia convencional y establece una red geodésica global y un sistema de coordenadas geocéntricas global. Sobre la base de observaciones de perturbaciones orbitales satelitales, altimetría de satélites oceánicos y datos geodésicos terrestres, se establece el modelo del campo de gravedad de la Tierra, del cual se deriva y se refina continuamente el achatamiento exacto de la Tierra. Además, los métodos geodésicos utilizados para determinar la forma y el campo de gravedad de la Tierra también se utilizan para determinar la forma y los campos de gravedad de otros cuerpos del sistema solar. La investigación tanto en ciencias de la tierra como en ciencias espaciales involucra datos del campo de gravedad. Por ejemplo, el cálculo de la órbita de los lanzamientos de naves espaciales y misiles requiere no sólo información sobre el campo gravitatorio de la Tierra, sino también las coordenadas geocéntricas del lugar de lanzamiento y el objetivo.
En la actualidad, la precisión de la medición de la gravedad terrestre ha alcanzado los 10 microgiga, y la tecnología de alcance de ondas electromagnéticas puede medir la distancia entre dos puntos terrestres con una precisión de una diezmilésima. El último desarrollo de la tecnología de interferometría de línea de base muy larga puede establecer un sistema de coordenadas inercial tridimensional, medir cambios en el movimiento polar y la velocidad de rotación de la Tierra, y medir la diferencia de coordenadas entre dos puntos separados por miles de kilómetros en este sistema de coordenadas con niveles de centímetros. exactitud.
La geodesia por satélite y la tecnología de sonar han promovido el desarrollo de la topografía y la cartografía oceánica. Ahora que el geoide oceánico ha sido determinado mediante altimetría de radar satelital, se puede establecer una red de control del fondo marino para el posicionamiento y la navegación en la superficie y bajo el agua, así como para dibujar mapas topográficos del fondo marino.
El método de topografía y cartografía en el siglo XIX consistía en inspeccionar y mapear directamente el terreno en el lugar y luego dibujar el mapa de acuerdo con una determinada escala después de una selección exhaustiva. Este método es ineficaz y está limitado por las condiciones naturales. En la década de 1930, el método de fotogrametría aérea y mapas cartográficos se mejoró gradualmente, formando la fotogrametría. Con este método la mayor parte del trabajo se realiza en interiores, superando las limitaciones de las condiciones naturales, por lo que ha sido muy utilizado. La teoría básica de la fotogrametría analítica se estableció en la década de 1950. En la década de 1960, aparecieron instrumentos analíticos de topografía y cartografía que consistían en instrumentos de precisión de medición de coordenadas tridimensionales y pequeñas computadoras electrónicas. La tecnología emergente de teledetección aeroespacial puede determinar las coordenadas y mapas de puntos terrestres mediante procesos de procesamiento de imágenes, medición fotográfica, interpretación y cálculo. Las imágenes de fotografías aéreas también se pueden convertir digitalmente en una gran cantidad de números grises densos y almacenarse en cinta magnética. Por lo tanto, se puede lograr una automatización completa de la topografía y la cartografía mediante la tecnología de fotografía aérea y teledetección espacial.
Todos los tipos de construcción de ingeniería requieren estudios y mapeo durante las etapas de diseño, construcción y gestión, y algunos tienen algunos requisitos especiales. Los estudios de ingeniería se producen para cumplir con estos requisitos especiales.
El producto final obtenido durante el proceso de levantamiento y cartografía es el mapa topográfico original, que debe procesarse posteriormente para producir mapas de varias escalas, cartas náuticas, cartas aeronáuticas y diversos mapas temáticos. Por lo tanto, se requieren proyecciones de mapas, compilación de mapas, decoración de mapas e impresión de mapas. Todos estos pertenecen a la categoría de cartografía. Aunque la aparición de los mapas se remonta a la antigüedad, fue sólo con la aplicación de las computadoras electrónicas en los tiempos modernos que el dibujo de los mapas cambió dramáticamente. Actualmente, se utiliza un sistema cartográfico asistido por computadora compuesto por computadoras electrónicas, plataformas digitales, trazadores automáticos y software para automatizar mapas topográficos, el dibujo de mapas catastrales y la preparación de mapas.