Основы геодезических измерений

На практике применяют  также другие приборы и инструменты  для непосредственного измерения  линий, например: длиномеры (измерения аналогичны измерениям проволоками); нутромеры — концевые меры со сферическими окончаниями для измерения и контроля расстояний контактным способом; катетометры — специальные приборы для измерения небольших (до 1 м) вертикальных отрезков с очень большой точностью (0,006...0,050 мм); измерительные микроскопы, а также шаблоны и другие приспособления, часть из которых будет рассмотрена при изучении геодезического обеспечения строительно-монтажных работ [8, c. 98].

 

           2.2. Измерение длины линий дальномерами

          Дальномерами называются геодезические приборы, с помощью которых расстояние между двумя точками измеряют косвенным способом. Дальномеры подразделяют на оптические и электронные. Оптические дальномеры делятся на дальномеры с постоянным параллактическим углом и дальномеры с постоянным базисом, электронные дальномеры — на электронно-оптические (светодальномеры) и радиоэлектронные (радиодальномеры).

Простейший оптический дальномер с постоянным углом — нитяной (рис. 2.5, а) имеется в зрительных трубах всех геодезических приборов. В поле зрения трубы (рис. 2.5, б) прибора видны три горизонтальные нити. Две из них, расположенные симметрично относительно средней нити, называются дальномерными. Нитяной дальномер применяют в комплекте с нивелирной рейкой, разделенной на сантиметровые деления. В приведенном примере между крайними нитями располагаются 21,5 сантиметровых делений рейки. Расстояние D между измеряемыми точками на местности 21,5∙100 = 21,5 м (100 — коэффициент дальномера).

На расстоянии до 200 м по нитяному дальномеру «на глаз» можно  отсчитать до 0,5 сантиметрового деления, что соответствует по грешности при определении расстояния 50 см; на расстоянии до 100 м — до 0,2 сантиметрового деления или погрешности 20 см.

Нитяным дальномером можно  измерить линии длиной до 300 м с  погрешностью до 1:300 от длины.

Рис. 2.5. Оптический дальномер:

а – внешний вид; б – поле зрения трубы; в – схема измерения

В основе электронный  средств измерений лежит известное из физики соотношение S = vt/2 между измеряемым расстоянием S, скоростью распространения электромагнитных колебаний v и временем t распространения электромагнитных колебаний вдоль измеряемой линии и обратно.

Из-за особенностей излучения, приема и распространения радиоволн  радиодальномеры применяют главным  образом при измерении сравнительно больших расстояний и в навигации. Светодальномеры, использующие электромагнитные колебания светового Диапазона, широко применяют в практике инженерно-геодезических измерений [9, c. 104].

Для измерения расстояния АВ (рис. 2.6.) в точке А устанавливают светодальномер, а в точке В — отражатель. Световой поток посылается из передатчика на отражатель, который отражает его обратно на тот же прибор. Если измерить время прохождения световых волн от светодальномера до отражателя и обратно, то при известной скорости распространения световых волн можно вычислить искомую длину линии. Время распространения световых волн может быть определено как прямым, так и косвенным методом измерений.

Рис. 2.6. Светодальномер

а – установка светодальномера и отражателя; б – ход лучей при измерении линий

 

Прямое определение промежутка времени осуществляется в дальномерах, называемых импульсными. В них измерение времени производится по запаздыванию принимаемого после отражения светового импульса по отношению к моменту его излучения [9, c. 105].

Косвенное определение времени  прохождения световых волн основано на измерении разности фаз двух электромагнитных колебаний. Такие светодальномеры называют фазовыми. С внедрением полупроводниковых лазерных источников излучения и цифровых методов измерения разности фаз появились импульсно-фазовые светодальномеры, в основе которых лежит фазовый метод измерения временного интервала при импульсном методе излучения.

Примером современного фазово-импульсного светодальномера может служить широко распространенный в нашей стране топографический светодальномер СТ-5. Это высокоавтоматизированный прибор, точность измерения расстояний которым характеризуется величиной (10 + 5D км) мм; предельная дальность — 5 км.

Улучшенный вариант этого  сверхдальномера — 2СТ-10 (рис. 2.7). Его технические характеристики: средняя квадратическая погрешность измерения расстояний (5 + 3D км) мм; диапазон измерения 0,2 м... 10,0 км; диапазон рабочих температур +40...-30 °С; масса прибора 4,5 кг. Управление процессом измерения обеспечивается встроенной микроЭВМ. Результаты измерения с учетом поправки на температуру воздуха и атмосферное давление высвечиваются на цифровом табло и могут быть введены в регистрирующее устройство. В приборе имеется звуковая сигнализация обнаружения отраженного сигнала, готовности результата измерения и разряженности источника питания. В комплект светодальномера входят: отражатели, штативы, источники питания, зарядное устройство, барометр, термометр, набор инструментов и принадлежностей.

В инженерной геодезии применяют  и высокоточные светодальномеры. Отечественная промышленность выпускает светодальномеры «Топаз СП-2» и СП-03 (ДК-001), точность измерения которыми характеризуется соответственно величинами (1 + D км) и (0,8 + 1,5D км) мм.

Рис. 2.7. Светодальномер 2СТ-10

 

Для измерений на строительных площадках и в помещениях используют лазерные рулетки (рис. 2.8), которые не требуют отражателей.

Рис. 2.8. Лазерная рулетка

 

 

 

          2.3. Принципы измерения углов. Теодолиты

         Измерение горизонтальных и вертикальных углов на местности выполняют специальными приборами — теодолитами.

Горизонтальный угол — это ортогональная проекция пространственного угла на горизонтальную плоскость.

Вертикальный угол, или угол наклона, — это угол, заключенный между наклонной и горизонтальной линиями [10, c. 79]

Принцип измерения горизонтального  угла (рис. 3.1, а) заключается в следующем. В вершине А измеряемого угла ВАС устанавливают теодолит, основной частью которого является круг с делениями. Круг располагают горизонтально, т.е. параллельно уровенной поверхности, а его центр совмещают с точкой А. Проекции направлений АВ и АС, угол между которыми измеряют, пересекут шкалу круга по отсчетам (делениям) b и с. Разность этих отсчетов дает искомый угол β = ВАС = с – b.

Вертикальный угол измеряют по вертикальному кругу (рис. 3.1, б) аналогичным образом, но одним из направлений служит фиксированная горизонтальная линия. Из рисунка видно, что если наблюдаемая точка расположена выше горизонта, то вертикальный угол (+ν) положителен, если ниже — отрицателен (-ν).

Рис. 3.1. Измерение углов  теодолитом:

а – горизонтального; б  – вертикального; в – принципиальная схема устроства теодолита; 1 – винт; 2, 5 – подставки; 3, 7 – лимбы; 4, 6 – алидады; 8 – зрительная труба; 9 – уровень 10, 11 – оси

На этом принципе основано устройство теодолитов (рис. 3.1, в). Прибор состоит из подставки, которую устанавливают на три подъемных винта 7. В отверстие подставки 2 входит ось 11 вращения лимба 3, в которую, в свою очередь, входит ось 10 алидады 4. Лимб — рабочая мера теодолита — представляет собой круг с делениями. Алидада — часть прибора, расположенная соосно с лимбом, на которой имеются элементы отсчетного устройства и две подставки 5, несущие ось вращения НН зрительной трубы 8 вертикального круга с алидадой 6 и лимбом 7. На защитном корпусе алидады укреплен цилиндрический уровень 9. Зрительная труба теодолита представляет собой визирное устройство, содержащее объектив, окуляр и сетку нитей. Уровень служит для приведения в определенное положение прибора в целом и отдельных узлов относительно отвесной линии. К основным частям теодолитов относятся наводящее и закрепительное устройства, служащие для наведения зрительной трубы на визирную цель и закрепления подвижной части прибора в заданном направлении [11, c. 87].

 

          2.4. Классификация теодолитов

         Существующие типы теодолитов различаются по точности, виду отсчетных устройств, конструкции системы вертикальных осей горизонтального круга и назначению [12, c. 40].

В зависимости от точности измерения горизонтальных углов теодолиты могут быть разделены на три типа.

1. Высокоточные Т05 и Т1, предназначенные для измерения углов в триангуляции и полигонометрии 1-го и 2-го классов.
2. Точные Т2 — для измерения углов в триангуляции и полигонометрии 3-го и 4-го классов; Т5 — для измерения углов в триангуляционных сетях и полигонометрии 1-го и 2-го разрядов.
3. Технические Т15, Т30 и Т60 — для измерения углов в теодолитных и тахеометрических ходах и съемочных сетях, а также для выполнения разбивочных работ на местности.

В условных обозначениях теодолитов цифра означает среднюю квадратическую погрешность измерения горизонтального угла одним приемом в секундах; для теодолита Т5 т_в = 5", для Т30 т_в = 30" и т. д.

По виду отсчетных устройств  различают верньерные и оптические теодолиты. Отсчетные устройства в виде верньеров использовались в теодолитах с металлическими кругами (ТТ-50, Т-5 и др.). Теодолиты со стеклянными угломерными кругами и оптическими отсчетными устройствами называются оптическими; в них с помощью оптической системы изображения горизонтального и вертикального кругов передаются в поле зрения специального микроскопа.

В настоящее время отечественной  промышленностью выпускаются только оптические теодолиты. Выпуск теодолитов с металлическими кругами и верньерами прекращен. В последние годы взамен теодолитов серии Т налажен выпуск более совершенных теодолитов унифицированных серий 2Т, ЗТ и 4Т (например: 2T2, ЗТ2, 2Т5, ЗТ5, 2Т15, 4Т15, 2Т30, 4Т30 и др.).

По конструкции системы  вертикальных осей горизонтального круга теодолиты подразделяются на неповторительные и повторительные.

У неповторительных теодолитов лимбы имеют только закрепительные винты либо приспособления для поворота и закрепления его в различных положениях. Повторительные теодолиты имеют специальную повторительную систему осей лимба и алидады, позволяющую лимбу совместно с алидадой вращаться вокруг своей оси. Такой теодолит позволяет поочередным вращением алидады несколько раз откладывать (повторять) на лимбе величину измеряемого горизонтального угла, что повышает точность измерений.

По назначению различают следующие типы теодолитов.

1. Геодезические (собственно теодолиты) — предназначены для измерения горизонтальных и вертикальных углов.
2. Тахеометры — предназначены для измерения горизонтальных и вертикальных углов и определения расстояний с помощью нитяного дальномера или оптическими дальномерными насадками, что позволяет выполнять с их помощью тахеометрическую съемку. Все технические теодолиты (Т15, ТЗО и др.) являются тахеометрами.
3. Теодолиты специального назначения: астрономические теодолиты (АУ2"/10", АУ2"/72") — предназначены для определения широты, долготы и азимутов на основе астрономических наблюдений; маркшейдерские теодолиты (Т15М, Т30М, 2Т30М) для измерений в подземных горных выработках; специализированные теодолиты — гиротеодолиты, фототеодолиты, лазерные теодолиты, кодовые теодолиты и др.

В инженерной практике наибольшее распространение получили оптические теодолиты типов Т30, Т15 и Т5 [13, c. 59].

 

           2.5. Штативы, визирные цели и эккеры

           Для установки теодолитов на местности используют штатив (рис. 3.2). Верхняя часть штатива представляет собой горизонтально расположенную металлическую площадку 7, называемую головкой.

В середине головки размещается  отверстие, через которое пропускают становой винт 2, крепящий теодолит со штативом. С головкой соединены нераздвижные (постоянной длины) и раздвижные (переменной длины) ножки 3. На заостренных наконечниках 4 ножек есть упоры 5, с помощью которых ножки вдавливают в грунт для придания устойчивости штативу. Раздвижные ножки позволяют регулировать высоту штатива. Штативы с нераздвижными ножками позволяют изменять высоту головки над поверхностью грунта в более ограниченных пределах, однако они более устойчивы.

Так как непосредственное визирование на точку, закрепленную в грунте знаком, бывает затруднено из-за неровностей местности и  растительности, над знаком устанавливают  визирные цели, марки, вехи, шпильки.

Рис. 3.2. Штативы

а – типа ШН; б – типа ШР; 1 – головка (площадка);  2 – становой винт; 3 – ножка; 4 – наконечник; 5 – ремень для переноски; 6 – упор; 7 – ограничитель; 8 – зажимной блок

 

Если требуется измерить угол с большой точностью, используют комплект визирных целей (КВЦ), который  состоит из визирных марок 7, подставок 2 и штативов 3 (рис. 3.2, а). Стандартный набор КВЦ включает в себя также аккумуляторы, шнуры с вилками и лампы электрической подсветки для работы в ночное время или в шахтах.