Геометрическое нивелирование. Нивелирование поверхности.

Лекция № 8. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ СЪЕМКИ

Сущность геометрического нивелирования. Классификация нивелиров

Высоту точек местности определяют измерением превышений h между ними. Зная высоту Н_А начальной точки А над уровнем моря или какой-либо другой уровенной поверхностью MN, высоту НВ определяемой точки В находят по формуле

H_В=H_А + h.

Действия по определению превышений называют нивелированием. Наиболее точный метод - геометрическое нивелирование. Его выполняют нивелиром - геодезическим прибо­ром с горизонтальным лучом визирования.

Геометрическое нивелирование ведут способом из середины. На начальной (задней) и определяемой (передней) точках ставят отвесно рейки с делениями, обозначенными снизу вверх. Между рейками ставят нивелир. Его визирную ось приводят в горизонтальное положение и наводят последовательно на заднюю и переднюю точки и берут отсчеты, превышение равно отсчету по задней рейке минус отсчет по передней рейке. Отметку точки В вычисляют также через высоту линии визирования, которую называют горизонтом прибора ГИ,

ГИ=Н_А+З ; Н_В=ГИ-П.

В отдельных случаях применяют способ нивелирования вперед. На передней точке ставят рейку, на задней точке - нивелир. Приводят его визирную ось в горизонтальное положение и измеряют высоту нивелира i. В трубу читают на рейке отсчет П, тогда h = i - П, т. е. превышение равно высоте прибора минус отсчет (взгляд) вперед.

Нивелиры подразделяют на высокоточные, точные и технические. В каждую из этих групп входят нивелиры с цилиндрическими уровнями (для краткости в дальнейшем условимся называть их нивелирами с уровнями) и с компенсаторами. Визирную ось зрительной трубы нивелира с уровнем приводят в горизонтальное положение вручную. У нивелира с компенсатором она устанавливается автоматически под действием маятникового или оптического устройства компенсации углов наклона трубы. Точные и технические нивелиры бывают с горизонтальными кругами (лимбами) и без них.

Точность и конструктивные особенности нивелиров указывают в их названиях (шифрах). Нивелиры с уровнями имеют шифры: высокоточные

Н-0,5; точные Н-3; технические Н-I0 (Н - первая буква названия прибора; число показывает точность прибора - среднюю квадратическую погрешность превышения в миллиметрах, возникающую при двукратном измерении 1 км нивелирного хода). При обозначении нивелиров с компенсаторами добавляют - К, а с лимбами - Л. Например, технический нивелир с компенсатором и лимбом Н-I0КЛ, а с уровнем и лимбом Н-10Л.

На съемках и строительных работах в лесном хозяйстве применяют точные и технические нивелиры.

Нивелиры и нивелирные рейки

Нивелир Н-З, как и HB-I, имеет зрительную трубу, наглухо скрепленную с цилиндрическим уровнем, и подставку (рис.1.33 ). Зрительная труба 30-кратного увеличения дает обратное изображение. Ее наводят на рейку сначала приближенно, визируя по мушке при отпущенном закрепительном винте, затем - точно с помощью

наводящего винта, глядя в трубу. Приближенно горизонтируют (нивелируют) прибор по круглому уровню, действуя подъемными винтами. Точно приводят луч визирования в горизонтальное положение при помощи

цилиндрического контактного уровня, действуя элевационным винтом. Наблюдатель отсчитывает рейку, видимую в поле зрения трубы (рис. ) рядом с изображением уровня в тот момент, когда половинки концов пузырька пришли в контакт.

Нивелир Н-3К (НС-4) имеет компенсатор, помещенный в зрительной трубе между объективом и сеткой нитей. Компенсатор состоит из двух прямоугольных призм: одна подвешена на двух парах тонких скрещивающихся стальных нитей, другая наглухо скреплена с корпусом трубы. При наклоне зрительной трубы на небольшой угол (до ±15′) подвижная призма наклоняется в противоположную сторону на угол, рассчитанный так, чтобы направить горизонтальный луч, идущий от рейки на высоте центра объектива, точно на перекрестие сетки нитей. Компенсатор начинает работать после приближенного горизонтирования нивелира по круглому уровню Нивелир Н-I0 имеет зрительную трубу с увеличением 23^Х, скрепленный с ней контактный цилиндрический уровень и горизонтальный круг. На рейку трубу наводят вручную. Роль подставки в нивелире выполняет шаровая пята. Наклоняя в ней прибор, его приближенно горизонтируют по круглому уровню. Точно приводят визирную ось трубы в горизонтальное положение элевационным винтом. Горизонтальный круг можно отсчитать с точностью до 0,1º.

Нивелир Н-I0КЛ с компенсатором, встроенным в трубу, имеет следующие особенности: зрительная труба дает прямое изображение; горизонтальный круг можно переставлять при помощи специального винта, что облегчает ориентирование лимба; для управления прибором имеется лишь одна рукоятка фокусировки зрительной трубы и перемещения подвижной линзы компенсатора.

Нивелирные рейки - пластинами концами (пятками). На рейки нанесены деления в виде шашек черного цвета на одной стороне, красного на другой. Счет делений ведут от нижней пятки. На черной стороне с ней совпадает ноль, на красной - отсчет 4687 или 4787 мм. Две рейки с разностью 100 мм в оцифровке пяток

красных сторон составляют один комплект. Для точного нивелирования используют рейки РН-3, при техническом нивелировании - РН-I0 или РН-3.

Рейка РН-3 (рис. 1.35.) имеет цену деления 1 см. Каждый ее дециметр оцифрован прямыми или перевернутыми цифрами. Изготовляют складные (длиной 3 и 4 м) и цельные (длиной 1,5 и 3 м) рейки. В шифр рейки включают ее характеристики. Например, РН-3П-3000С: РН - рейка нивелирная, 3 - для точных работ, П - нивелирами прямого изображения, 3000-3-метровая, С – складная

Рейка СН-I0 - 4-метровая, складная, шкала с прямой или перевернутой оцифровкой; цена деления черной стороны 2 и красной 5 см.

Во время работы рейки ставят на прочно забиваемые в грунт колья. Если не требуется закреплять на местности точки установки реек, при нивелировании их ставят на переносные металлические башмаки или костыли.

Поверки нивелиров и реек

В нивелирах проверяют и при необходимости исправляют установку круглого уровня и сетки нитей, а также соблюдение основного условия геометрического нивелирования. Ось круглого уровня должна быть параллельна оси нивелира; проверяют и исправляют так же, как и цилиндрический уровень теодолита. Вертикальная нить сетки

должна лежать в отвесной плоскости; выполняют так же, как и соответствующую поверку теодолита.

Основное условие геометрического нивелирования состоит в том, что визирная ось зрительной трубы должна быть горизонтальна, а в нивелирах с цилиндрическими уровнями, кроме того, и параллельна оси уровня. Для проверки этого условия на ровном участке местности откладывают отрезок 50 м. На концах линии забивают колышки. Над одним из них устанавливают нивелир, причем так, чтобы окуляр проектировался на центр колышка, а над другим – рейку.

 

 

Рис. 33. Точные нивелиры с цилиндрическими уровнями:

а – Н-3; б – НВ-1; 1 – элевационный винт; 2 – окуляр; 3 –

корпус зрительной трубы; 4 – мушка; 5 – объектив; 6 – уровнем

головка кремальеры; 7,8 – закрепительный и наводящий винты;

9 – круглый уровень; 10 – исправительные винты круглого уровня;

11 – подставка; 12 – подъемные винты; 13 – пружинящая пластина;

14 – целик; 15 – крышка коробки уровня с зеркалом; 16 – коробка

с цилиндрическим уровнем.

 

 

 

Рис. 1.34 Поле зрения трубы

 

 

 

Рис. 35 Нивелирная рейка.

После того как нивелир приведен в рабочее положение, делают отсчет а₁ по рейке и рулеткой или рейкой измеряют высоту нивелира і₁. Затем нивелир и рейку меняют местами и получают соответствующие значения а₂ и i₂. Погрешность из-за не параллельности визирной оси и оси уровня (х) вычисляют по формуле:

х=(а₁+а₂):2-(i₁+i₂):2.

Если х больше 4 мм, то вносят исправление. Для этого, вращая специальный элевационный винт, устанавливают на рейке верный отсчет а₂′=а₂-х. Ослабив боковые винты, совмещают концы пузырька с помощью вертикальных исправительных винтов уровня.

При поверке реек посредством контрольной линейки устанавливают, правильно ли разбиты на них деления. Метр рейки не должен отличаться от контрольной меры более чем на ± 1,5 мм, дециметр - на ± 0,5 мм. Рейки с большими погрешностями делений бракуют.

Для каждой рейки находят разность высот нулей реек. Рейку ставят последовательно на 4-6 кольев разной высоты, забитых в 20-25 м от нивелира, и каждый раз отсчитывают черную и красную стороны, составляют их разности и вычисляют среднюю из них; по ним определяют разность высоты нулей пары реек, которая обычно бывает около 100 мм. На рейке, входящей в пару, пишут номер (1 или 2).

 

Погрешности и точность нивелирования

Глазомерная оценка долей сантиметра по рейке, неточность показаний уровня (компенсатора), ограниченная разрешающая способность трубы, ошибки делений рейки - все это может внести в отсчет погрешность 2-3 мм, если расстояние (плечо) между нивелиром и рейкой составляет 100-120 м. Чтобы избежать грубой погрешности отсчета, нивелир тщательно юстируют, рейку отсчитывают в момент контакта половинок концов пузырька уровня, относят ее от нивелира не далее 150 м.

Стремясь направить луч визирования горизонтально, его отклоняют от уровенной поверхности, проходящей через трубу нивелира, на отрезок k. Следовательно, в отсчет вносится погрешность, вызываемая кривизной Земли. Правда, она несколько уменьшается потому, что лучи света в атмосфере несколько искривляются, как бы огибая Землю. Однако при величине плеча 100 м и более становится заметной ошибка в превышении из-за кривизны Земли и атмосферной рефракции. Но если рейки ставить на одинаковом расстоянии от нивелира, например в точках В и D, то погрешности за кривизну Земли и рефракцию, равные по абсолютной величине, но разные по знаку, компенсируются и не влияют на результаты нивелирования. В связи с этим лучше применять нивелирование из середины с допустимым неравенством плеч 5-10 м; нивелирование вперед – в исключительных случаях и только при длине плеча не более 100 м.

Рейка должна стоять вертикально; проседание ее устраняют установкой на колья и башмаки. Если на рейке уровень отсутствует и отсчет более 1000 мм, ее покачивают в створе линии визирования и за правильный отсчет принимают самый малый из наблюдаемых.

Значительные ошибки в нивелировании могут вызвать внешние условия. Поэтому не рекомендуется вести работу при сильном ветре и значительных колебаниях изображения реек восходящими потоками воздуха. Высота визирного луча над грунтом или растительностью должна быть не меньше 0,2 м. От солнечных лучей нивелир защищают зонтом.

Устранить полностью влияние неблагоприятных условий на результаты нивелирования практически невозможно, но погрешности не должны быть грубыми. Для нивелировок разной точности рассчитаны нормы предельных допустимых погрешностей, выше которых результаты считаются грубыми и подлежат переделке. Так, для технического нивелирования установлены следующие допуски: расхождения в превышениях, определенных по черным и красным сторонам реек., не должны превышать 5 мм; невязки в нивелирных ходах должны быть не более ±50√ L мм или ± 10√n мм (L - длина хода, км; п - число станций в ходе).

Нивелирование поверхности участков производят для состав­ления планов местности в горизонталях, необходимых для проек­тирования лесозаготовительных предприятий, жилых поселков, лесных складов, лесомелиоративных работ и др.

Нивелирование поверхности по квадратам. Этот способ при­меняют в открытой местности. Перед нивелированием на участке при помощи теодолита и землемерной ленты разбивают сетку квадратов. Размеры сторон квадратов такой сетки зависят от рельефа снимаемого участка и назначения плана. В практике лесного хозяйства и лесной промышленности стороны квадратов сетки имеют размеры от 20 до 100 м.

Для ее получения на всей площади разбивают основные квадраты размером 100×100м; вершины их обозначают, например, араб­скими цифрами. На сторонах основных квадратов, пользуясь землемерной лентой, через 20 м отмечают точки для заполняю­щей сетки квадратов. Остальные ее вершины можно найти при помощи 100-метрового троса (веревки), размеченного через 20 м и натягиваемого между точками сторон основных квадратов. Вершины заполняющих квадратов закрепляют деревянными колышками. Для более точного изображения на плане всех де­талей рельефа дополнительными колышками отмечают соответ­ствующие точки местности, лежащие вне вершин квадратов.

Обработку результатов нивелирования начинают с определе­ния горизонта нивелира той станции, с которой взят отсчет на точку с известной отметкой.

Точки теодолитного хода нивелируют в прямом и обратном направлениях. Затем производят нивелирование поперечников, выбирая места для установок нивелира так, чтобы с каждой станции через горизонт нивелира можно было вычислить от­метки наибольшего количества отмеченных точек. В абрисе стрелками показывают направление скатов местности.

Составление плана в горизонталях.Чтобы составить план участка, который нивелировали по квадратам, на чертежной бумаге в заданном масштабе строят сетку квадратов, наклады­вают по абрису все дополнительные высотные точки и ситуацию и подписывают отметки всех нивелированных точек с точностью до 0,01 м. Для проведения на плане горизонталей на сторонах квадратов и на некоторых диагоналях интерполированием опре­деляют следы горизонталей. Горизонтали начинают проводить с той части плана, где рельеф выражен наиболее четко.

При составлении плана участка, поверхность которого ниве­лировали по поперечникам, на план сначала наносят по коорди­натам точки поворота теодолитных ходов, затем ситуацию, пока­занную в абрисе, и отметки всех нивелированных точек, после чего приступают к интерполированию горизонталей по линиям теодолитных ходов и поперечников, а также по указанным в аб­рисе направлениям между точками.

После проведения горизонталей план участка вычерчивают тушью в условных топографических знаках. На плане не показывают ни сетку квадратов, разбитую для нивелирования местности, ни линии теодолитных ходов и поперечников, если это не предусмотрено заданием.