В середине XIX в. Ф.В. Бессель в своей теории, которая с некоторыми изменениями может считаться наилучшей, представил рефракцию формулой: r = ? tgz(BT)A ??, где B зависит от показания барометра, Т термометра при барометре, ? от температуры воздуха, ? медленно изменяется с зенитным расстоянием, A и ? величины, близкие к единице и отличаются чувствительно от неё только при больших зенитных расстояниях. Все эти величины даются в таблицах по аргументу z (зенитное расстояние). http://www.brocgaus.ru/text/032/942.htm Бессель изложил свою теорию и дал таблицы рефракции в труде «Fundamenta astronomiae».
2. ИЗУЧЕНИЕ РЕФРАКЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ В ИНЖЕНЕРНО ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ. НИВЕЛИРОВАНИЕ
В XVI столетии Ж. Пикар первый показал, что при геодезических работах зенитные расстояния земных предметов необходимо исправлять из-за преломления. Геодезическая рефракция собирательный термин, которым иногда объединяют различные виды и проявления рефракции электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн и сопутствующие всевозможным геодезическим измерениям. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) находится в пределах земной атмосферы, тогда как в случае астрономической рефракцией расположен за пределами земной атмосферы и даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.
Земная рефракция очень мало поддается вычислению, так как плотности нижних слоев воздуха более всего подвержены аномалиям. Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекция этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения приводит к так называемой вертикальной рефракции и горизонтальной (боковой) рефракции. Первая проявляется при различных видах нивелирования: тригонометрическом (земная рефракция), геометрическом (нивелирная рефракция); при аэрофотосъёмке (фотограмметрическая рефракция). Боковая рефракция на один-два порядка меньше, чем вертикальная, и сопутствует всем видам рефракции; она непосредственно влияет на результаты измерения горизонтальных углов и триангуляции ((от лат. triangulum треугольник), один из методов создания сети опорных геодезических пунктов и сама сеть, созданная этим методом; состоит в построении рядов или сетей примыкающих друг к другу треугольников и в определении положения их вершин в избранной системе координат), полигонометрии и астрономических наблюдений азимутов. http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/096/752.htm
Зная показатель преломления атмосферы вдоль траектории распространения электромагнитных колебаний и вблизи неё, а также взаимное расположение источника и приёмника (наблюдателя) этих колебаний, можно составить уравнение луча и определить влияние рефракции на различные виды наблюдений. Однако незнание прежде всего точного показателя преломления атмосферы в моменты наблюдений (так как он находится в сложной зависимости от температуры, давления и влажности атмосферы, а также и от физико-географических условий, топографии местности, характера подстилающего покрова) не позволяет определить точную величину рефракции упомянутым прямым методом.
Рельеф местности это совокупность неровностей поверхности земли; он является одной из важнейших характеристик местности. Знать рельеф значит знать отметки всех точек местности. Отметка точки это численное значение ее высоты над уровенной поверхностью, принятой за начало счета высот. Дьяков Б.Н. Геодезия: учебное пособие. Новосибирск: ЦИТ СГГА, 2002. С.416
Отметку точки на местности определяют по превышению этой точки относительно другой точки, отметка которой известна. Процесс измерения превышения одной точки относительно другой называется нивелированием.
Нивелирование возникло в глубокой древности в связи со строительством оросительных каналов, водопроводов и т. п. Первые сведения о водяном нивелире связывают с именами римского архитектора Марка Витрувия (1 в. до н.э.) и древнегреческого учёного Герона Александрийского (1 в. н.э.). Дальнейшее развитие методов нивелирования связано с изобретением зрительной трубы (кон. 16 в.), барометра Э. Торричелли, сетки нитей в зрительных трубах Ж. Пикаром, цилиндрического уровня английским оптиком Дж. Рамсденом. http://www.brocgaus.ru/text/032/942.htm
В России в созданной Петром I оптической мастерской в 1715-25 И. E. Беляев изготовлял различные приборы, включая и ватерпасы с трубой, т. е. нивелиры. В 18 в. высоты пунктов в России определяли барометром, а с начала 19 в. стали применять тригонометрическое нивелирование, речь о котором пойдет ниже.
В 1816 В. Я. Струве разработал названный его именем способ измерения углов триангуляции, исследовал влияние рефракции на результаты измерения углов и создал наилучший для того времени базисный прибор, применявшийся в течение всего 19 в. Работы Струве завершились в 1855. Было закончено измерение огромной дуги меридиана, простирающейся от устьев Дуная до берегов Ледовитого океана и имеющей протяжённость более 25° по широте. Это градусное измерение, называемое «дугой Струве», являлось выдающейся работой по геодезии в 19 в. Триангуляционные работы Струве, выполненные с очень высокой точностью, даже по современным меркам, считаются образцовыми, классическими по постановке, методами и результатам. Тетерин Г. Н. История геодезии в России (до 1917 г.): учебное пособие, ч. 3. Новосибирск: НИИГАиК, 1992. С.46
Для развития теорий и методов геодезических и астрономических работ во всём мире выдающееся значение имела деятельность организованной в 1839 Пулковской астрономической обсерватории, которая вплоть до первой мировой войны являлась центром научного руководства этими работами в России. Два способа, разработанные русскими геодезистами, получили общее признание в астрономических работах на пунктах градусных измерений и при определениях положений опорных пунктов для топографических съёмок. Это способ определения времени, предложенный Н. Я. Цингером в 1874, и способ определения широты из астрономических наблюдений, предложенный М. В. Певцовым в 1887.
В советские годы в России были усовершенствованы методы точного измерения углов и рассмотрены вопросы об ослаблении влияния рефракции на результаты угловых измерений. Изучены общие закономерности влияния больших полей рефракции на точность астрономо-геодезической сети (Б.Н. Рабинович). Советские геодезисты успешно решили труднейшие вопросы математической обработки измерений на больших территориях. Ф. Н. Красовский и Н. А. Урмаев разработали способы уравнивания больших астрономо-геодезических сетей. Ф. Н. Красовский выяснил несовершенство метода развёртывания и обосновал строгий принцип проектирования астрономо-геодезической сети на поверхность принятого эллипсоида.
Начальной точкой счета высот в нашей стране является нуль Кронштадтского футштока (горизонтальная черта на медной пластине, прикрепленной к устою одного из мостов Кронштадта). От этого нуля идут ходы нивелирования, пункты которых имеют отметки в Балтийской системе высот. Затем от этих пунктов с известными отметками прокладывают новые нивелирные ходы и так далее, пока не получится довольно густая сеть, каждая точка которой имеет известную отметку. Эта сеть называется государственной сетью нивелирования; она покрывает всю территорию страны.
Отметки всех пунктов нивелирных сетей собраны в списки «Каталоги высот». Эти списки непрерывно пополняются, издаются новые каталоги по новым нивелирным ходам. Для нахождения отметки любой точки местности в Балтийской системе высот нужно измерить ее превышение относительно какого-либо пункта, отметка которого известна и есть в каталоге. Иногда отметки точек определяют в условной системе высот, если поблизости нет пунктов государственной нивелирной сети. Вследствие того, что измерение превышений выполняют различными приборами и разными способами, различают:
- геометрическое нивелирование (нивелирование горизонтальным лучом);
- тригонометрическое нивелирование (нивелирование наклонным лучом);
- барометрическое нивелирование;
- гидростатическое нивелирование и некоторые другие.
Геометрическое нивелирование или нивелирование горизонтальным лучом выполняют специальным геодезическим прибором нивелиром; отличительная особенность нивелира состоит в том, что визирная линия трубы во время работы приводится в горизонтальное положение.
Различают два вида геометрического нивелирования: нивелирование из середины и нивелирование вперед.
Рассмотрим схему геометрического нивелирования из середины с большей строгостью (рис. 3).
Рис. 3 Схема геометрического нивелирования из середины с большей строгостью
Уровенные поверхности не являются плоскими, они сферические, поэтому рейки, установленные в точках А и В перпендикулярно уровенным поверхностям, будут непараллельны между собой. Визирная ось трубы нивелира, установленного между точками А и В, горизонтальна. Она пересекла бы рейки в точках С и D, если бы световой луч распространялся в атмосфере строго прямолинейно. Однако в реальной атмосфере луч света идет по некоторой кривой, которая называется рефракционной кривой. Под влиянием рефракции предмет виден несколько выше своего действительного положения.
В результате рефракции визирный луч будет занимать положение C'JD'. Опустим вывод формулы превышения, и остановимся на основном выводе: при нивелировании строго из середины влияние кривизны Земли и рефракции почти полностью исключается. Влияние рефракции может быть исключено не полностью, так как условия прохождения луча до задней и передней реек могут отличаться. Дьяков Б.Н. Геодезия: учебное пособие. Новосибирск: ЦИТ СГГА, 2002. С.429
По точности измерения превышений различают нивелирование 1, 2, 3, 4 классов и техническое. При техническом нивелировании предельная ошибка измерения превышения на 1 км хода не должна превышать 50 мм; это соответствует средней квадратической ошибке 20 мм на 1 км хода. Для нивелирования 1, 2, 3 и 4 классов средняя квадратическая ошибка измерения превышения на 1 км хода равна 0.8 мм, 2.0 мм, 5 мм и 10 мм соответственно.
Важнейшими характеристиками нивелира, определяющими точность измерения превышений, являются увеличение зрительной трубы и цена деления цилиндрического уровня при трубе. По этим характеристикам определяет пригодность нивелира для выполнения работ заданной точности. Чтобы получить численные значения увеличения трубы и цены деления уровня, выполняют соответствующие исследования нивелира.
Тригонометрическое нивелирование называют также геодезическим или нивелированием наклонным лучом. Оно выполняется теодолитом; для определения превышения между двумя точками нужно измерить угол наклона и расстояние. В точке А устанавливают теодолит, в точке В рейку или веху известной высоты V. Измеряют угол наклона зрительной трубы теодолита при наведении ее на верх вехи или рейки (рис. 4).
Опустим достаточно громоздкие расчеты по выводу формулы превышения из тригонометрического нивелирования с учетом кривизны Земли и рефракции и остановимся на основном выводе:
Рис. 4. Тригонометрическое нивелирование
ошибка измерения превышения из тригонометрического нивелирования оценивается величиной от 2 см до 10 см на 100 м расстояния.
Гидростатическое нивелирование выполняют с помощью сообщающихся сосудов, заполненных одной жидкостью. Жидкость устанавливается в обоих сосудах на одном уровне, на одной отметке. Пусть высота столба жидкости в первом сосуде будет c1, а во втором c2 (рис. 4.40); тогда превышение точки В относительно точки А будет равно: h = c1 - c2.
Точность гидростатического нивелирования зависит от расстояния между сосудами, типа жидкости, диапазона измерения превышения, конструкции отсчетного устройства и других условий. Она может быть очень высокой; средняя квадратическая ошибка измерения превышения лучшими гидростатическими нивелирами достигает 5-10 мкм; диапазон измерения превышений при этом невелик всего около 1 см.
Рис. 5. Гидростатическое нивелирование
При расстоянии между сосудами до 500 м можно измерить превышение с ошибкой около 10 мм. Естественно, при гидростатическом нивелировании не существует рефракционных искажений.
Барометрическое нивелирование основано на зависимости атмосферного давления от высоты точки над уровнем моря. Точность барометрического нивелирования невысока; средняя квадратическая ошибка измерения превышения колеблется от 0.3 м в равнинных районах до 2 м и более в горных. Основные области применения барометрического нивелирования геология и геофизика.
3. СОВРЕМЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ВЫСОКОТОЧНЫХ ИНЖЕНЕРНОГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Развитие геодезической техники для строительства имеет свои вехи. Одна из них связана с появлением полупроводниковых лазеров. Появилась возможность создавать малогабаритные и относительно недорогие приборы, которые позволяют с помощью лазерного луча обозначить плоскость горизонта или плоскость с заданным углом наклона на расстоянии до 600 м. Строительные приборы пополнились новым классом оборудования лазерными нивелирами и уровнями, электронными рулетками. Караванов М. К чему такая точность? // Строительная техника и технологии. №4. 2002. С.19
В настоящее время на строительном рынке для решения задач по высокоточным инженерно-геодезическим измерениям все шире используются лазерные нивелиры различных типов, электронные тахеометры.
Как и оптические, лазерные нивелиры предназначены для определения превышения между точками или выноса в натуру проектных отметок. Но при этом они значительно производительнее оптических, проще в работе и обслуживании.
Лазерные приборы задают горизонтальную или наклонную плоскость при помощи лазерного луча, вращающегося со скоростью до 600 об/мин. Установка плоскости в горизонтальное положение производится при помощи электронных и жидкостных уровней или автоматической системой самонивелировки. Для фиксации этой плоскости можно использовать как обычные нивелирные рейки, так и рейки, оснащенные специальным приемником лазерного излучения.
Производимые на сегодняшний день лазерные нивелиры подразделяются на два класса приборов: для внутренних и для наружных работ. Отличие между ними заключается в мощности лазерного луча, точности и функциональных возможностях.
В нивелирах для наружных работ, как правило, используется лазер высокой мощности, что обеспечивает работу нескольких человек на всей площадке без дополнительной перестановки прибора. Для выноса в натуру различных плоскостей, например, полотна дороги, в нивелирах этого типа пользователь может устанавливать лазерную плоскость под заданным уклоном.
В нивелирах, предназначенных для внутренних работ, предусмотрена возможность задания горизонтальной и вертикальной плоскостей. Для работ по вертикальному проецированию и разбивке перпендикуляров в некоторых моделях установлена призма, делящая луч на два перпендикулярных направления.
Во многих приборах, как для внутренних, так и для наружных работ, для установки лазерной плоскости используется система автоматической нивелировки. Благодаря этой системе нет необходимости нивелировать прибор, достаточно просто закрепить прибор и начать работать. Инструменты с автоматической нивелировкой и функцией задания уклона являются универсальными и хорошо себя зарекомендовали при проведении дорожно-строительных работ и в системах управления грейдерами и бульдозерами.
Лазерные нивелиры могут быть использованы везде, где есть необходимость задания горизонтальной или вертикальной плоскостей, а также отвесных линий. По сравнению с традиционными технологиями, они позволяют существенно увеличить производительность труда, исключить необходимость перепроверки и сократить количество исполнителей. Эти приборы нашли применение при работах по разбивке и при контроле поверхности дорожной одежды, прокладке дренажных и канализационных систем, установке стен и перегородок, контроле отметок фундамента здания, вертикальной планировке, установке бетонных блоков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Инженерно-геодезические измерения и инженерно-геодезические построения занимаю особое место в общей схеме строительных работ. Они начинаются задолго до начала строительства при проведении инженерно-геодезических изысканий, выноса проектов сооружений в натуру, являются составной частью технологии строительно-монтажных работ в период всего строительства, а также сопутствуют при проверке качества строительной продукции и продолжаются в эксплуатационный период при проведении наблюдений за деформациями зданий и сооружений, если того требуют условия проекта. Поэтому вопросы точности проведения геодезических работ имеют принципиальное значение, ибо они в конечном счете определяют уровень качества и надежность выстроенных зданий и сооружений.
За последнее время в нашей стране наблюдается подъем восстановительных работ, ремонта и реставрации. Необходимость качественного выполнения поставленных задач требует точного задания горизонтальных и вертикальных плоскостей. До недавнего времени это решалось с использованием традиционных приборов, в частности, теодолитов и нивелиров, просто уровней, или даже выполнялось на глазок. Новые требования к качеству строительной продукции заставляют существенно повышать точность, надежность и эргономичность строительного оборудования и его общий технологический уровень.
Сегодня в России значительная часть всех полевых съемочных работ выполняется традиционными средствами оптическими теодолитами, дальномерными насадками и другими устаревшими геодезическими приборами. Наиболее прогрессивные организации успешно внедряют в течение последних 5 лет технологии с применением электронных тахеометров, лазерных нивелиров и другого высокоточного оборудования, развивающегося на основе передовых технологий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Визгин А.А., Коугия В.А., Хренов Л.С. Практикум по инженерной геодезии: Учеб. пособ. для вузов. М.: Недра, 1989
2. Геодезия (учебно-практическое пособие) М.: Приор, 2001
3. Дьяков Б.Н. Геодезия: учебное пособие. Новосибирск: ЦИТ СГГА, 2002
4. Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. Геодезия. М.:Недра, 1993
5. Маслов А.В., Юнусов А.Г. Горохов Г.И. Геодезические работы при землеустройстве: Учебн. пособие для ВУЗов. М.: Недра, 1990
6. Неумывакин Ю.К., Смирнов А.С. Практикум по геодезии: Учебное пособие. М.: Геодезиздат, 1995
7. Оптическая рефракция в земной атмосфере (наклонные трассы) (монография). Новосибирск: Наука, 1983
8. Справочник геодезиста. М.: Недра, 1985
9. Справочник техника-геодезиста. М.: Недра, 1993
10. Тарасов Л. В., Тарасова А. Н. Беседы о преломлении света / Под ред. В. А. Фаб-риканта. М.: Наука, 1982
11. Тетерин Г. Н. История геодезии в России (до 1917 г.): учебное пособие, ч. 3. Новосибирск: НИИГАиК, 1992
12. Шеховцов Г.А. Оценка точности положения геодезических пунктов. М.: Недра, 1992
13. http://www.brocgaus.ru/text/032/942.htm
14. http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/096/752.htm
Страницы: 1, 2
