Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 0

Нивелирование в геодезии

История нивелирования

Первыми сведениями, которые дошли до современного человека о проведении нивелирования, относятся к первому веку до нашей эры, а именно к возведению оросительных каналов в Древней Греции и Риме. В исторических документах упоминается водяной измерительный прибор. Его изобретение и использование связывают с именами древнегреческого ученого Герона Александрийского и римского архитектора Марка Витрувия. Толчком для развития этих измерительных приборов и методов нивелирования послужило создание зрительной трубы, барометра, цилиндрического уровня и сетки градирования в зрительных трубах. Данные изобретения относятся к 16-17-му векам, они позволили разработать систему точной съемки поверхности земли.

В России во времена Петра Первого была основана оптическая мастерская, где среди прочего производили и нивелиры, только тогда они назывались ватерпасы с трубой. Разработкой нивелиров в мастерской занимался И. Е. Беляев. В этот же период появились и первые измерительные приборы, в основе которых использовались барометры. В начале девятнадцатого века появляются первые тригонометрические нивелиры, с их помощью проводились весьма масштабные работы по определению разности уровней Азовского и Черного морей, измерялась высота горы Эльбрус. Использование геометрических приборов зафиксировано в середине девятнадцатого века. Так, в 1847 году их использовали при строительстве Суэцкого канала. В нашей стране геометрическое нивелирование поверхности применялось при строительстве водных и сухопутных дорог. Началом создания отечественной государственной сети считается 1871 год. Тогда начались работы по фиксации и установке пунктов, которые служили основой для топографической съемки.

Разбивка по квадратам

Нивелирование поверхности этим методом выполняется с целью получения топографических крупномасштабных планов равнинных территорий. Плавное положение контрольных точек определяется путем прокладывания теодолитных ходов. А высоты – методом геометрического измерения с использованием технических нивелиров. Процесс съема данных может производиться двумя разными способами: путем прокладки нивелирных ходов с постепенной разбивкой поперечников и по квадратам.

Нивелирование по квадратам выполняют путем разбивания на местности при помощи мерной ленты и теодолита (сетки со стороной ячейки двадцать метров) при измерении в масштабах 1:500 и 1:1000, сорок метров – при съемке в масштабе 1:2000 и сто метров при 1:5000.

Одновременно с этим производится фиксации ситуации изучаемой территории и составляется абрис. Эти процедура выполняется теми же способами, что и при теодолитной съемке. Помимо вершин ячеек, на местности фиксируют характерные объекты рельефа – плюсовые точки: вер­шину и основание холма, дно и бровки ямы, точки на линиях водослива и водораздела и другие.

Съемочное обоснование создается путем прокладывания по внешним границам сетки квадратов нивелирных и теодолитных ходов, которые затем привязываются к пунктам единой государственной сети. Высоты плюсовых точек и вершин ячеек определяют способом геометрического нивелирования. Если длина стороны квадрата сорок метров и меньше, то с одной станции стараются произвести измерение всех определяемых точек. Расстояние от прибора до планки не должно превышать 100-150 метров. Если длина стороны квадрата сто метров, в таком случае нивелир размещается в центре каждой ячейки. По данным полевой съемки местности методом квадратов составляют журнал нивелирования и абрис измерений.

Геометрическое нивелирование

При таком методе измерения местности используют специальную геометрическую рейку и прибор нивелир. Принцип съемки заключается в установке рейки со штрихами и делениями в необходимой точке возле изучаемой поверхности. После чего, используя горизонтально визирный луч, отсчитывается разница высот. Геометрическое нивелирование производится по принципу «из середины» либо «вперед». При измерении первым методом в двух точках поверхности устанавливают рейки, прибор находится между ними на равноудаленном расстоянии. Результатом съемки становятся данные о превышении одной из планок над другой. Второй способ является классическим – один прибор и одна рейка. Эти методы нивелирования являются наиболее распространенными. Они нашли применение в строительстве как мелких объектов (домов), так и крупных (мостов).

5.1. Внешний осмотр и проверка комплектности

Проверка внешнего состояния и комплектности нивелира выполняется
осмотром. При проведении осмотра должно быть установлено соответствие нивелира
следующим требованиям:

) Маркировки
прибора и футляра должны соответствовать требованиям ГОСТ
23543 и ГОСТ 10528, а также техническим условиям
на конкретный тип нивелира.

) Прибор и футляр не должны иметь механических повреждений.

) Комплектность нивелира должна соответствовать комплекту
поставки, приведенному в паспорте, и отвечать установленным требованиям.

) Оптические системы нивелиров должны обеспечивать четкие и
контрастные изображения наблюдаемых объектов — визирных целей, отсчетных шкал, шкалы ампулы уровня. Поверхности оптических
деталей должны быть чистыми, без пятен, царапин, следов расклейки и
сколов.

Способ приложения

При нивелировании территории способом приложения теодолитных и нивелирных ходов с разбивкой на поперечники, ходы прокладывают по естественным характерным линиям данной местности, например, по водосливам или водоразделам. При таких работах поперечники и пикеты следует разбивать через каждые сорок метров при съемке в масштабе 1:2000 и через двадцать метров при съемках в масштабах 1:1000 и 1:500. В точках перегибов скатов отмечают плюсовые объекты. В процессе разбивания пикетов следует производить фиксацию ситуации и составлять абрис. Записи нивелирования производят в журнале. В нем отмечают порядковые номера пикетов, отсчеты по красной и черной стороне реек, расстояния плюсовых объектов от ближайших пикетов. По результатам нивелирования составляется топографический план территории, поперечные и продольные профили местности.

Измерение поверхности целесообразно проводить на участках предполагаемого места проведения работ по благоустройству и по вертикальной планировке территории. В качестве примера можно привести ландшафтное проектирование местности, окружающей какой-либо памятник архитектуры, или садово-парковой зоны.

Французско-русские метаморфозы

Некоторые исследователи считают, что «нивелировать» — это немецкое слово. Но попало оно к нам через французов. На родине мушкетеров строгий термин nivellieren, который обозначал «выровнять», стали использовать очень широко. Так, появились две главные модели использования. Первая была очень близка к niveau – «уровень воды». Термин означал высчитывание разницы от какого-то ориентира – например, уровня океана. Второе же слово – «niveler» предполагало «сглаживание, устранение отличий, шероховатостей». В русском языке к иностранному корню приделали славянское окончание, и термин стал эксплуатироваться в обоих значениях. Отсюда и возникла путаница. Ну а теперь давайте разберемся, что значит нивелировать.

Гидростатическое измерение поверхности

Гидростатическое нивелирование – это метод, основанный на принципе действия сообщающихся сосудов. Съемка этим способом производится с помощью гидростатического прибора, который работает с погрешностью до двух миллиметров. Такой нивелир компонуется из пары стеклянных трубок, соединенных между собой шлангом, данная система заполнена водой. Процесс измерения осуществляется следующим образом – трубки крепятся к рейкам, на которых нанесена шкала. После этого планки устанавливаются возле изучаемых объектов, по делениям отмечают числовое значение разности двух уровней. Данная конструкция имеет существенный недостаток, а именно ограниченность предела измерения, который определен длиной шланга.

Описанные способы нивелирования (кроме механического) весьма просты и не требуют наличия специфического багажа знаний от оператора, поэтому широко применяются в строительстве и других сферах народного хозяйства.

Классы измерений

Кроме методики производства измерений, нивелирование принято разделять по классам точности. Каждому из них соответствует определенный вид и метод осуществления съема информации. Рассмотрим, какие существуют классы нивелирования.

  1. Первый класс считается высокоточным. Ему соответствует среднеквадратичная случайная ошибка, равная 0,8 миллиметра на один километр и систематическая, составляющая 0,08 мм/км.
  2. Второй класс также считается высокоточным. Однако погрешность здесь несколько выше – среднеквадратичная ошибка составляет 2,0 мм/км, а систематическая — 0,2 мм/км.
  3. Третий класс. Ему соответствует среднеквадратичная ошибка, равная 5,0 мм/км, а систематическая не учитывается.
  4. Четвертый класс. Ему соответствует среднеквадратичная ошибка, равная 10,0 мм/км, системная также не учитывается.

В зависимости от особенностей рельефа местности и поставленных задач съемки могут использоваться различные способы проведения съемки данных. Например, по полигонам, по параллельным линиям или нивелирование поверхности по квадратам. Последняя методика получила наибольшее распространение, она широко используется для съема данных с больших открытых площадок с относительно малой высотой сечений. Рассмотрим ее более подробно.

Современные технологии

На сегодняшний день, вследствие необычайно быстрого развития науки и технологий, для нивелирования поверхности используют различные технические ноу-хау.

  1. Лазерные. В основе их работы лежит считывание параметров местности с помощью лазерного сканирующего устройства.
  2. Ультразвуковые. Основным элементом такого прибора, является испускающий волны ультразвуковой датчик.
  3. GNSS-технология, которая связана с получением информации о текущих координатах с помощью спутниковой связи. Такая аппаратура обеспечивает очень высокую точность нивелирования.

Для обеспечения эффективной обработки большого количества потоков информации, получаемых в процессе применения вышеуказанных ноу-хау, требуется наличие соответствующего специального программного обеспечения, которое будет выполнять задачи, связанные с хранением, управлением, визуализацией и обработкой данных.

Современные системы нивелировки в дорожном строительстве

В современном строительстве дорожного покрытия широко используются автоматизированные системы. Они позволяют управлять дорожно-строительной техникой, учитывая ее текущее положение. При этом автоматическое нивелирование трассы отличается высокой точностью проводимых работ, существенно повышающей качество производимого дорожного полотна, а также сокращающей сроки строительства. Такие приборы, установленные на асфальтоукладчики, дорожные фрезы, бульдозеры, позволяют устранять повреждения и дефекты старого покрытия при укладке нового слоя. Эти нивелиры контролируют поперечный уклон дороги, выполняют его по точно заданным проектом параметрам. Современные системы измерения поверхности для дорожно-строительной техники делят на несколько типов в зависимости от применяемой технологии.

  1. Ультразвуковые приборы с различным количеством датчиков.
  2. Лазерные системы съема.
  3. Прибор на базе спутниковых GPS-технологий.
  4. Трехмерная система, работающая на принципе тахеометра.

При необходимости, смотря какая требуется сложность и особенность проводимых работ, может использоваться та или иная технология автоматического нивелирования.

Применение нивелировки

Результатом нивелирования является создание единой опорной геодезической сети, служащей основой для проведения топографических измерений местности или разных геодезических измерений. Съемка широко применяется в исследовательских и научных целях: при изучении земного шара, движения земной коры, для фиксации колебаний уровня морей и океанов.

Нивелировка также применяется при решении различных прикладных задач, которые связаны со строительством разнообразных объектов, прокладкой путей сообщения, инженерных коммуникаций и т. д. Например, измерение местности необходимо для осуществления переноса проектных решений по высоте, кроме того, при монтажных работах по установке строительных конструкций. При решении подобных задач, всегда используются данные, полученные службой геодезии. Также, непосредственно для решения разных узкоспециализированных задач, применяют автоматические системы съема информации. К таким задачам относятся, например, ремонт и строительство дорожного полотна. Датчики, входящие в устройство автоматического нивелира, устанавливают на железнодорожные вагоны, автомобили, в результате чего получается готовый профиль изучаемой местности в кратчайшие сроки.

Технический термин

В географии и геодезии слово «нивелировать» — это очень однозначный термин, лишенный всякой загадочной двусмысленности. Он предполагает процесс, в результате которого удается вычислить разницу высот относительно какого-либо выбранного ориентира. Чаще всего такой отправной точкой является уровень Мирового океана. Нивелировать можно с помощью разных приборов: теодолита и тахеометра, барометра и гидростатически сообщающихся сосудов, эхолотов и радиолокаторов. Строители при выравнивании площадки под здание руководствуются не уровнем моря, а определенным краеугольным камнем. С помощью нивелира и реек они производят геометрическое исследование местности на предмет выявления разницы высот.

5.11. Проверка компенсатора

Проверка компенсатора включает: определение диапазона действия
компенсатора, погрешность компенсации углов наклона, среднюю квадратическую погрешность самоустановки визирной оси в
горизонтальное положение. Указанные составляющие определяются совместно и
раздельно в лабораторных и полевых условиях.

5.11.1. Для проверки в лабораторных условиях нивелир с приспособлением
для подсветки сетки нитей устанавливают на столике экзаменатора (рис. ). Экзаменатор приводят в
рабочее положение, измерительный винт устанавливают в среднее положение.
Нивелир приводят в рабочее положение.

Рис. 6

При выполнении поверки зрительную трубу нивелира устанавливают сначала параллельно оси экзаменатора, затем перпендикулярно, при этом
автоколлиматор или зрительную трубу
образцового теодолита каждый раз устанавливают соосно со зрительной трубой нивелира (рис. ,А и Б).

Измерения включают: последовательное изменение угла наклева зрительной трубы нивелира с помощью экзаменатора и
последовательное фиксирование угломерным прибором положения средней нити сетки нивелира при отсутствии наклона и после наклона зрительной оси нивелира на углы v, равные 2, 4,…, n’ до тех пор, пока работает компенсатор, сначала в продольном,
затем в поперечном направлениях.

Рис. 7

— экзаменатор; 2 —
нивелир; 3 — автоколлиматор (теодолит)

Для каждого наклонного положения нивелира получают три отсчета по
угломерному прибору. Один прием измерений включает наклоны нивелира вращением
винта экзаменатора на ввинчивание (прямой ход) и на вывинчивание (обратный
ход). Для нивелиров, предназначенных для нивелирования I и II классов, выполняют два
приема измерений, для остальных типов нивелиров выполняют один прием.

При обработке результатов измерений вычисляют:

. Среднее
значение bj,« из трех отсчетов по угломерному прибору:

где индекс
i — относится к единичному отсчету,

j — относится к номеру установки винта экзаменатора.

. Разность средних отсчетов dbj и среднее значение bj, полученных для одного и того же угла наклона оси в прямом () и обратных ходах («):

dbj = b’jj,

bj = (b’j + j)/2

. Уклонения δbj средних отсчетов bj от отсчета bj, соответствующего нулевому наклону оси нивелира:

δbj = bjbj.

. Диапазон работы компенсатора Д:

Д =
(v+
v)/2,

где v+ и v — максимальные наклоны оси нивелира при положительных и
отрицательных наклонах, для которых удовлетворяются условия для случайной и
систематической составляющих погрешности σн (таблица , п. 8),
т.е.:

dbjdbслуч.

bj| ≤σн · |v|.

. Среднюю квадратическую погрешность mу установки визирной линии нивелира:

где n — общее количество установок.

. Систематическую составляющую погрешности σ

где bj+ и bj— — средние отсчеты при
максимальных наклонах нивелира в диапазоне работы компенсатора;

v — наклон оси нивелира, выраженный в минутах дуги,
для принятой к вычислению разности отсчетов.

Пример определения погрешностей и диапазона работы компенсатора
приведен в приложении .

5.11.2. В полевых условиях погрешности работы компенсатора проверяют
следующим образом.

Нивелир устанавливают в середине створа между двумя рейками, установленными
по уровню (желательно укрепленными с помощью рейкодержателей). Определяют
превышения между рейками, при этом наблюдения выполняются сериями, общее число
которых должно быть не менее 5. Перед взятием отсчетов по рейкам нивелир наклоняют подъемными винтами по схеме,
приведенной на рис. . Перед каждой
серией изменяют высоту прибора.

Для высокоточных нивелиров проверку выполняют при расстояниях
между рейками 10, 50, 100 м; для точных нивелиров — 100 и 200 м; для технических — 200 м.

При обработке результатов измерений вычисляют превышения между
рейками при соответствующих положениях уровня в серии наблюдений и среднее
значение превышений, кроме этого вычисляют разности Δh превышений относительно положения уровня в нуль-пункте.

Значения Δh не должны быть более 0,5 мм для высокоточных нивелиров и 3,0 и
5,0 мм для точных и технических нивелиров соответственно.

Пример проверки качества работы компенсатора в полевых условиях
приведен в приложении .

5.11.3. Время затухания видимых колебаний изображения предметов в поле
зрения зрительной трубы нивелира с компенсатором определяют по рейке, установленной
на расстоянии около 25 м от нивелира. Нивелир приводят в рабочее положение.
Затем, слегка постукивая по корпусу нивелира, следят, когда прекратится
дрожание изображения рейки. Время между окончанием постукивания и прекращением
дрожания изображения рейки не должно превышать 2 с.

Обнулить и уничтожить

А как же упоминавшееся нами ранее «нивелирование ценности человеческой жизни»? Здесь термин приобретает новый смысл. В этом случае «нивелировать» значение имеет «свести к нулю», «уничтожить». Здесь синонимом выступает термин «ликвидировать», но плавно, поступательно. Вот простой пример: «За десятилетие правления нынешнего режима произошло значительное нивелирование прав и свобод». То есть речь, скорее, идет об обесценивании. Но не всякое уничтожение негативно. В ключе «устранение» такое нивелирование может применяться как поступательный положительный процесс. Можно привести такой пример: «Назначенный на пост главы Министерства внутренних дел господин имярек призван нивелировать негативный имидж милиции в народе». Как видим, термин многозначный, и употреблять его нужно с умом.

Нивелировать — это обезличивать

В разговорной речи термин принял и совершенно радикальный смысл. Устранение различий в перепаде высот на строительной площадке переросло в уничтожение индивидуальных черт, обезличивание. Термин несет ярко выраженную негативную смысловую нагрузку. Употребляется как синоним «уравниловки». Например: «Глобализация нивелирует национальные культурные отличия». В русском языке существует немало поговорок, которые точно передают смысл этого понятия. Здесь и «стричь под одну гребенку», и «подводить под один ранжир», и «подогнать под один колер». В отличие от сентенции «Эффективные меры МЧС-ников нивелировали последствия стихийного бедствия для населения», это значение термина никогда не может быть употреблено в позитивном ключе.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации