CC BY
70
УДК 528.024.1/.6
DOI: 10.33764/2618-981 Х-2019-1-2-32-38 СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДИКА
ВЫСОКОТОЧНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ
Адольф Георгиевич Малков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры космической и физической геодезии, тел. (923)231-03-85
Роман Михайлович Брыскин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистр кафедры космической и физической геодезии, тел. (983)307-86-78, e-mail: romabryskin@gmail.com
В статье описана методика создания высотной основы для решения различных инженерных задач методом геометрического нивелирования. Приведены описание, недостатки и преимущества существующих способов геометрического нивелирования. Представлены требования к точности измерений при геометрическом нивелировании. Предложен авторский способ контроля измерения превышений на станции нивелирования с использованием костыля с двумя головками, смещенными относительно друг друга на фиксированную величину. Представлена практическая пошаговая реализация данного способа геометрического нивелирования. Описаны основные формулы, используемые для получения результатов измерений.
Ключевые слова: геодезия, геометрическое нивелирование, высотная основа, измерения превышений, костыль с двумя головками, формулы геометрического нивелирования, превышение на станции нивелирования.
MODERN TECHNIQUE OF HIGH-PRECISION GEOMETRIC LEVELING
Adolf G. Malkov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Space and Physical Geodesy, phone:(923)231-03-85
Roman M. Bryskin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Space and Physical Geodesy, phone: (983)307-86-78, e-mail: romabryskin@gmail.com
This article describes the method of creating a high-rise basis for solving various engineering problems by geometric leveling. The description, disadvantages and advantages of the existing methods of geometric leveling are given. The requirements for measurement accuracy in geometric leveling are presented. The authors propose a method of controling the measurement of excess at the leveling station using a crutch with two heads offset relative to each other by a fixed value. The practical step-by-step implementation of this method of geometric leveling is presented. The basic formulas used to obtain the measurement results are described.
Key words: geodesy, geometric leveling, the altitude-based measure of excess, a spike with two heads, formulas geometric leveling, in excess of station leveling.
Введение
Создание высокоточной высотной основы для решения различных инженерных задач, обычно выполняется методом геометрического нивелирования, путем последовательного измерения превышений между исходным и определяемым репером высотной сети. Превышения между точками нивелирного хода вычисляются по разностям отсчетов задней и передней реек, фиксируемых горизонтальным лучом нивелира. Установка линии визирования нивелира в горизонтальное положение зависит от конструкции нивелира.
Для отечественных высокоточных уровенных нивелиров типа Н-05 используется цилиндрический уровень с ценой деления менее 10" жестко скрепленный со зрительной трубой, для высокоточных нивелиров с компенсатором углов наклона типа N1-002 и цифровых нивелиров типа Б1у1-03 применяется высокочувствительный компенсатор с погрешностью компенсации 0.05".
Следует отметить, что все существующие типы нивелиров можно классифицировать по функциональным возможностям и точностным характеристикам. На современном этапе производства нивелирных работ выбор того или иного типа нивелира зависит от точности определения отметок интересующих нас объектов, условий выполнения данных работ и экологической целесообразности.
Точность геометрического нивелирования измеряется средней квадратиче-ской ошибкой на станции нивелирования. Согласно ГОСТ 10528 ее величина для I класса нивелирования равна 0,15 мм для длины плеча менее 30 м. Для достижения данной погрешности измерения необходимо в полевых условиях выбирать время измерений, строго соблюдать методику и все требования инструкции по нивелированию I, II, III, IV классов [1].
При использовании уровенного нивелира Н-05 погрешность измеренного превышения достигается средним значением отсчетов по основной и дополнительным шкалам инварной рейки РН-05 с углом изложенных выше требований. В нивелирах с компенсатором углов наклона аналогично используются рейки с основной и дополнительными шкалами для контроля измерения превышения на станции нивелирования. Однако следует отметить, что автоматическая установка линии визирования позволяет повысить точность измерений за счет малой погрешности компенсации угла наклона визирной оси нивелира.
Как известно, погрешность наведения на рейку и взятия отсчета зависит от разрешающей способности выбранного способа визирования «Р» и увеличения зрительной трубы «Г»:
Р"
твиз = — . (1)
Чем больше увеличение зрительной трубы, тем меньше погрешность при одноименном способе фиксации отсчета по рейке.
Для отечественного уровенного нивелира Н-05 она равна 40х, а для высокоточных нивелиров с компенсатором она может быть порядка 32х. Однако при
взятии отсчета по рейке уровеным нивелиром Н-05, пузырек уровня при зрительной трубе нивелира может сместиться с нульпункта, что приведет к погрешности измерения превышения, так как ось цилиндрического уровня параллельна визирной оси нивелира, тогда как в нивелире с компенсатором углов наклона положение визирной оси остается неизменным во время взятия отсчета по рейке [4].
Данный фактор способствует эффективности измерений и повышает производительность труда.
Для измерений превышений цифровыми нивелирами в качестве рабочей меры используются односторонние рейки с нанесенными кодовыми штрихами. В этом случае кодовая маска нивелира сравнивается со штрихами кодовой рейки, что позволяет выполнять автоматическую фиксацию отсчета и после их преобразования выдать на табло нивелира значение измеренного превышения в линейной мере [3].
Чем выше точность нанесения кодовых штрихов и соответствующей кодовой маске нивелира, тем выше точность измерения превышения на станции нивелирования.
Однако следует отметить бесконтрольность взятия отсчета по одной стороне рейки, что может привести к разности измерений, так как в полевых условиях на их результаты могут влиять множество факторов, снижающих точность измерений. В этом случае их контроль может быть выполнен только по разностям прямого и обратного ходов или замкнутом полигоне.
В связи с этим для контроля измерения превышения на станции нивелирования предлагается производить повторные измерения после изменения высоты нивелира [2].
Методы и материалы
По-нашему мнению, для контроля измерения превышения на станции нивелирования целесообразно использовать костыль с двумя головками, смещенными относительно друг друга на фиксированную величину. Данный вид костыля предоставлен нами на рис. 1.
Смещение головок равно 25 мм. Для забивки костыля надевается предохранительная втулка.
При использовании данного костыля можно предложить следующую методику измерения превышения на станции нивелирования:
- нечетная станция:
ЗП'П'З; (2)
- четная станция:
ПЗ'З'П, (3)
где П', П", З', З" - отсчеты по передней и задней рейке при ее установке на первую и вторую головку костыля.
В обработку берется среднее превышение:
КР - + 25- , (4)
где к' - З - П' и к2 - З - П
Контроль результатов измерений выполняется сравнением разности измеренных превышений «к2 - к'» с допустимой величиной их отклонения Л-2тсист — 0,3 мм, от фиксированной разности высот головок костыля, равной 0,5 мм.
При использовании уровенного нивелира Н-05 в нивелировании I класса можно выполнять измерение превышения с одним костылем последовательно устанавливая рейку на первую и вторую головку в соответствии со следующей методикой измерений на станции нивелирования: - нечетная станция:
ЗоПОПДЗД ; ЗоЩПДЗД ; (5)
- четная станция:
ЗоПОЗДПД ; По%ЗДПд . (6)
Искомое превышение находится по разностям отсчетов основной и дополнительных шкал задней и передней реек. При установке рейки на первую головку:
20 = Зо - ПО; НД = Зд - ПД; Н; = . (7)
НО + Н' ~2
При установке передней рейки на вторую головку:
к и
I
II II _II II
Но = Зо - По; Нд = Зд - По; Нср =. (8)
Но + Н,
У
Среднее значение превышения на станции нивелирования вычисляется по следующей формуле:
I и
Нср + Нср - 25мм Низм -; (9)
тН
1
А2
(Ю)
п
где А - истинная ошибка превышения, которая равна:
А = АНнач -АНист (25мм). (11)
Контроль измеренного превышения на станции нивелирования производится по разностям средних превышений, взятых на разных головках и сравнения допустимого значения с фиксированной разностью высот головок костыля. По-нашему мнению величина отклонения для нивелиров не должна превышать о.Змм, что согласно ГОСТа Ю528 на нивелиры соответствует удвоенной величине точности измеренного превышения на станции нивелирования. В случае недопустимого отклонения следует выполнить повторные измерения при другой высоте нивелира [2].
Результаты
В качестве проверки предлагаемой нами технологии выполнения высокоточного геометрического нивелирования, нами был проведен практический эксперимент.
Для выполнения измерений нами был выбран нивелир с компенсатором Pentax AP-220, заводской номер которого № 173882. В качестве костыля использовалась металлическая тумба с ввинченным в нее винтом высотой 12 мм. Отсчеты брались по миллиметровой шкале логарифмической линейки, точность нанесения штрихов которой составляет 0,05-0,1 мм.
Схема нивелирного хода для проведения экспериментальных исследований представлены на рис. 2. Расстояния между тумбами показаны на схеме.
Рис. 2. Схема нивелирного хода
В ходе выполнения измерений, в целях контроля на тумбах № ' и № 11 брались повторные отсчеты по линейки, установленной на винт. Всего было выполнено 4 приема. По завершению каждого приема, высота прибора изменялась, и нивелирный ход повторялся заново. Числовые значения, полученные во всех приемах показаны в таблице.
Сумма превышений по каждому ходу была равна нулю. Значения превышений между тумбами с использованием головки винта отличались на '20 мм, что соответствовало размеру винта ввинченного в тумбу. Так как измерения выполнялись в лабораторных условиях, то величина отклонений от размера винта не превышало точности нанесения штрихов на шкале.
При выполнении же измерений в полевых условиях величина полученных отклонений может характеризовать точность измерений на станции нивелирования и в самом ходе нивелирования.
Журнал измерений
№ п/п /'пр , см Номер тумбы h1 h 2 hi, мм X hi по ходу
1 150 11 10 16 1 1610 1580 1880 1520 1490 1460 1760 1400 60 30 270 -360 0
2 157 11 10 16 1 1990 1970 2230 1880 1870 1850 2110 1760 90 20 240 -350 0
3 154 11 10 16 1 1950 1900 2270 1920 1830 1780 2150 1800 -20 50 320 -350 0
4 160 11 10 16 1 2010 2050 2300 1950 1890 1930 2180 1830 100 -40 290 -350 0
По-нашему мнению данная методика значительно упростит процесс измерения превышения на станции нивелирования, позволяет проконтролировать результаты измерений и повышает их эффективность и экономическую целесообразность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 10528-90. Нивелиры. Общие технические условия». - М., 2013.
2. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов / ЦНИИГАиК. - М., 2004.
3. Малков А. Г. Об оценке точности измерения превышений на станции геометрического нивелирования // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 1, ч. 1. - С. 82-84.
4. Яковлев Н. В. Высшая геодезия : учебник для вузов. - М. : Недра, 1989. - 454 с.
© А. Г. Малков, Р. М. Брыскин, 2019
