Конспект лекций по инженерной геодезии. Лекции по инженерной геодезии для заочной форм обучения направлений 270100 Строительство, 270200 Транспортное строительство

• Название: Лекции по инженерной геодезии для заочной форм обучения направлений 270100 Строительство, 270200 Транспортное строительство
• Дата: 02.04.2023
• Размер: 3.15 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по инженерной геодезии.doc
• Тип: Лекции; #1031614
• страница: 4 из 7

Топографические съемки
Съемкой называют совокупность действий на местности для построения ее плана, карты или продольного профиля местности (разреза) по заданному направлению. В данном пособии речь пойдет о простейших видах съемки, которые при случае может выполнить архитектор.

Различают три вида съемок:

а) горизонтальную (теодолитную), в результате которой получают план контуров местности без изображения рельефа;

б) вертикальную – производят для составления плана рельефа поверхности в горизонталях или продольного профиля;

в) топографическую, которая объединяет два первых вида съемки.

Все съемочные работы осуществляют по принципу перехода от общего к частному, согласно которому эти работы делят на два этапа.

Вначале на местности создают сеть съемочного обоснования и для ее пунктов с повышенной точностью определяют координаты и (или) высоты. На втором этапе выполняют детальную съемку путем геометрической привязки точек местности к пунктам съемочного обоснования. Соблюдая такую последовательность работ, достигают двух целей:

1) съемку производят в единой (заданной) системе координат и высот;

2) избегают накопления ошибок при детальной съемке.

Плановая основа
Обычно съемочным обоснованием крупномасштабной съемки в условиях равнинной местности служат теодолитные ходы – полигонометрия низшего класса, а в пересеченной – сети микротриангуляции с короткими сторонами.

Теодолитным ходом называют замкнутый или разомкнутый многоугольник на местности, в котором измерены все стороны и углы. Для выполнения работ в заданной системе координат эти ходы привязывают к пунктам высшего класса.

Различают три вида теодолитных ходов: замкнутые, разомкнутые и висячие (рис.2.24).

Для обеспечения крупномасштабных съемок пункты теодолитных ходов выбирают на участках с хорошим обзором. При съемке застроенной территории линии ходов должны проходить вдоль фасадной линии застройки.

В
Рис.2.24. Теодолитные ходы:

а – замкнутый, б – разомкнутый, в – висячий


ершины ходов закрепляют на местности кольями или металлическими штырями. Средняя длина сторон хода может быть 100 – 200 м, минимальная – 20 м. Предельная длина ходов может быть до 600 м (для съемки масштаба 1:500) и 1500 м (в масштабе 1:1000). Длины линий в теодолитных ходах измеряются мерной рулеткой или точным дальномером с относительной погрешностью не хуже , а углы измеряются теодолитом одним полным приемом с точностью 0,5 – 1,0'.
После выполнения полевых измерений приступают к их математической обработке, которая преследует три цели:

1) устранение геометрических несогласий в построенных фигурах;

2) оценку точности выполнения измерений;

3) вычисление координат пунктов теодолитного хода.

Исходными данными при прокладке теодолитного хода обычно служат как минимум два опорных пункта с известными координатами. В математическую обработку включаются все измеренные углы поворота и горизонтальные проекции длин линий. Дирекционные углы исходных сторон или берут из каталога координат исходных пунктов или находят из решения обратных геодезических задач (см. п.1.6).

Математическую обработку начинают с определения геометрического несогласия в углах. В замкнутом ходе сумма внутренних углов должна быть равна 180º (n–2), а отличие суммы измеренных углов от этой величины составит угловую невязку

. (67)

В разомкнутом ходе, проложенном между начальной и конечной сторонами с заданными дирекционными углами, угловые невязки получают по формулам :

(68)

для левых по ходу углов поворота;

(69)

для правых углов поворота.

Невязки в углах не должны превышать величины

, (70)

где t – точность измерения углов теодолитом.

Если невязка не выходит за пределы допуска, то ее распределяют между измеренными углами поровну, так что каждый угол получает поправку

. (71)

Сумма исправленных углов должна приводить к нулевой угловой невязке. После устранения угловой невязки последовательно вычисляют дирекционные углы всех сторон хода, используя исправленные углы поворота β:

(72)

при левых углах поворота;

(73)

для правых углов поворота.

При расчете по этим формулам следует иметь в виду, что дирекционные углы – положительные числа и находятся в пределах от 0˚ до 360˚.

Следующим этапом таких приближенных уравнительных вычислений будет вычисление приращений координат по всем сторонам хода

(74)

В замкнутом ходе суммы приращений координат теоретически должны быть равны нулю, и потому невязки в координатах

и . (75)

В разомкнутом ходе, проложенном между двумя опорными пунктами



Полная линейная невязка определяется по теореме Пифагора

. (76)

Ее считают допустимой при условии

. (77)

Если это условие выполнено, то невязки в координатах распределяют между приращениями координат с обратным знаком пропорционально длинам сторон хода, то есть каждое приращение получает поправку

; . (78)

Если невязки составляют несколько сантиметров, то их можно распределить на глаз.

В заключение по исправленным приращениям координат последовательно вычисляют координаты всех точек хода, опираясь на исходные пункты.
Детальная горизонтальная съемка
После создания съемочного обоснования для составления плана местности нужно геометрически привязать контуры местности к опорным пунктам, при этом можно воспользоваться несколькими методами съемок.


Рис.2.25. Полярный метод

съемки
1. Полярный метод (рис.2.25) применяют для съемки неответственных контуров – границ угодий, водоемов, грунтовых дорог и т.п. При этом одну из точек теодолитного хода (5) принимают за полюс, а направление на другую точку (6) считают основным направлением, от которого измеряют углы β на снимаемые точки контуров. Расстояния α до этих точек измеряют рулеткой. При этом максимальное расстояние до снимаемых точек не должно превышать 60 – 70 м.

На план снятые точки наносят с помощью транспортира и масштабной линейки. Если же данным методом снимают какой–то ответственный контур (угол здания, центры колодцев в подземных коммуникациях), то в целях большей надежности вычисляют ее координаты. Например, для рис.2.25: ; ; .

2. Метод прямых угловых засечек используют для съемки удаленных контуров. Положение снимаемой точки C (рис.2.26) определяют по измеренным на пунктах съемочного обоснования углам β, и точка наносится на план с помощью транспортира. Если точка С представляет собой ответственный контур, то для нее можно вычислить координаты по формулам

,



Рис.2.26. Метод

угловой засечки

.


Рис.2.27. Метод

линейных засечек



3. Метод линейных засечек – основной метод при съемке застроенной территории. В этом методе каждый контур местности привязывают к линии теодолитного хода двумя линейными промерами (рис.2.27). Причем расстояния S по линии хода откладывают мерной лентой, а промеры d – рулеткой (при этом лента обычно лежит на линии хода). В процессе съемки засечки желательно делать так, чтобы углы при снимаемой точке были близкими к 90˚.

Таким способом снимают только главные точки контура (углы здания), а все архитектурные детали и пристройки накладывают на план по результатам детального обмера здания, который служит дополнительным контролем съемки. Строение внутри квартала разрешается привязывать линейными промерами к сооружениям, снятым по фасаду.


Рис.2.28. Метод

перпендикуляров
4. Метод перпендикуляров (рис.2.28) также применяют при съемке застроенной территории. В этом методе положение каждой снимаемой точк и относительно линии съемочного обоснования определяется расстоянием S от исходного пункта до основания перпендикуляра и его длиной d. Перпендикуляры d₁, d₂ к линии восставляются на глаз, если они не превышают 3 – 4 м. При большей длине d угол 90˚ можно построить с помощью простейшего эккера с двумя взаимно–перпендикулярными визирками.

Во время детальной съемки любым из перечисленных методов исполнитель составляет схематический чертеж снимаемых контуров (абрис), на который наносит результаты измерений.

План горизонтальной съемки строят в такой последовательности.

1. На листе чертежной бумаги с помощью специальной линейки строится координатная сетка со стороной 10 см и в соответствии с масштабом точкам сетки придаются координаты xи y так, чтобы теодолитный ход располагался в центре листа.

2. С помощью масштабной линейки наносят на план точки теодолитного хода по их координатам (контроль накладки – по расстояниям между этими точками).

3. В соответствии с абрисом съемки с помощью транспортира и масштабной линейки наносят на план снятые контуры и вычерчивают их по условным знакам.

4. После полевого контроля план вычерчивают тушью.

Ту же работу можно выполнить по специальным программам с помощью персонального компьютера с графопостроителем.
Вертикальная съемка
Для составления плана рельефа поверхности в горизонталях применяют методы геометрического и тригонометрического нивелирования. Как и в случае горизонтальной съемки, на первом этапе работ на местности создают съемочное высотное обоснование в виде ряда опорных точек, для которых более точным, чем при детальной съемке, методом определяют высоты. Такими точками при топографических съемках могут служить пункты теодолитно–нивелирных ходов. Для определения высот точек от исходных пунктов высшего класса прокладывают замкнутые или разомкнутые нивелирные ходы технического нивелирования. При этом основным является метод нивелирования из середины и метод сложного (последовательного) нивелирования. Для контроля измерений на каждой станции отсчеты по рейкам снимают по черным и красным сторонам и из найденных превышений подсчитывают среднее значение (если результаты отличаются друг от друга не более чем на 5 мм).

Если от исходного репера R проложен замкнутый нивелирный ход по пунктам теодолитного хода (рис.2.29) и по его отдельным звеньям с числом сторон n_i измерены превышения h_i, то теоретически в таком ходе сумма превышений должна равняться нулю, а ее отличие от нуля дает высотную невязку

. (79)

Невязку считают допустимой для технического нивелирования, если она не превышает значения (в мм)


, (80)

где N – общее число станций в нивелирном ходе.

Е
Рис.2.29. Замкнутый ход

сли полученная невязка окажется в пределах допуска, то ее распределяют между измеренными превышениями с обратным знаком пропорционально числу станций n_i в звене, то есть каждое превышение получает поправку

. (81)

Контроль: сумма исправленных превышений в замкнутом ходе должна равняться нулю.

В заключение по исправленным превышениям последовательно вычисляют отметки точек хода

. (82)

В
разомкнутом ходе (рис.2.30) сумма измеренных превышений должна равняться разности высот конечного и начального пункта (репера).

П
Рис.2.30. Разомкнутый ход

оэтому высотная невязка хода

. (83)

При этом определение допустимости невязки и ее распределение осуществляется так же, как и в случае замкнутого нивелирного хода.

Для детальной вертикальной съемки местности используют три основных метода.

1. Нивелирование по квадратам выполняют на открытой слабопересеченной местности.

Д

Рис.2.31. Нивелирование по квадратам

о начала работ участок разбивают на квадраты со стороной от 10 до 50 м (в зависимости от сложности рельефа). Вершины квадратов закрепляют кольями. Характерные точки рельефа местности закрепляют дополнительно и «привязывают» их линейными промерами к вершинам квадратов. В задачу нивелирования входит определение отметок всех закрепленных точек, чтобы по ним с помощью горизонталей изобразить рельеф.



Рис.2.32. Горизонт инструмента ГИ

Процесс нивелирования делится на два этапа. Вначале от опорного пункта (репера) прокладывают замкнутый нивелирный ход, который проходит через вершины квадратов, лежащие на самых высоких и самых низких местах участка (рис.2.31). После уравнивания этого хода вычисляют отметки точек, через которые прошел ход (e/1, d/7, a/6, a/1).

На втором этапе выполняют детальную съемку остальных точек. Для этого нивелир устанавливают вблизи точки с известной отметкой и снимают отсчеты по черной стороне рейки, устанавливаемой на ближайших вершинах квадратов (в том числе и на точке с известной отметкой). Эти отсчеты наносят на схему квадратов и на ней очерчивают район съемки с данной станции № 1 (см. рис.2.31). Затем съемку выполняют с других станций, а вычисление отметок точек производят после нахождения на исходной станции горизонта инструмента (ГИ) – высоты визирного луча над уровенной поверхностью (рис.2.32). Как видно из этого рисунка, ГИ равен сумме двух величин: отметки точки и отсчета по черной стороне рейки, стоявшей на этой точке.

На рис.2.32 . Отметки других точек, снятых на данной станции, равны разности ГИ и отсчета, взятого на этой точке: и т.д.

После завершения полевых работ и вычисления отметок составляют в заданном масштабе сетку квадратов и рисуют на ней горизонтали рельефа.

2


Рис.2.33. Метод параллельных линий

. Нивелирование способом параллельных линий (рис.2.33) применяют в закрытой слабопересеченной местности. В зоне снимаемого участка прокладывают магистраль AB и на ней закрепляют точки I–VI оснований будущих параллельных линий. Их выбирают с таким расчетом, чтобы линии проходили по более или менее открытой местности. На каждой линии в характерных местах рельефа закрепляют точки (1, 2, …, n).

Между всеми точками делают промеры рулеткой и составляют схему параллельных линий. Нивелирование осуществляют в два этапа. На первом этапе от исходного репера прокладывают нивелирный ход по точкам магистрали и вычисляют их отметки (для контроля ход делают дважды – в прямом и обратном направлении). Затем нивелирные ходы прокладывают по параллельным линиям и определяют отметки закрепленных точек, опираясь на отметки точек магистрали.
Тахеометрическая съемка
Тахеометрическая съемка объединяет горизонтальную и вертикальную съемки и ставит своей целью получение крупномасштабного топографического плана, на котором изображается ситуация и рельеф местности. В настоящее время ее применяют при работах на небольших участках. Как и любой другой вид съемки, она начинается с создания съемочного обоснования. Таким обоснованием обычно служат теодолитные и нивелирные ходы, которые привязывают к пунктам главной геодезической основы. Пункты съемочного обоснования выбирают так, чтобы с них открывался хороший обзор ближайшей местности.


Рис.2.34. Абрис съемки
После создания рабочего обоснования, когда будут найдены координаты и высоты опорных пунктов, приступают к детальной съемке местности. Ее ведут с пунктов рабочего обоснования полярным методом. При этом ситуацию и рельеф снимают одновременно и для каждой снимаемой (пикетной) точки измеряют три пространственные координаты: наклонное расстояние D, горизонтальный полярный угол β и угол наклона ν визирной линии. По этим данным находят положение снимаемой точки в плане и по высоте относительно пункта съемочного обоснования, принятого за полюс, и основного направления, взятого на другую (соседнюю) точку съемочного обоснования.

При детальной тахеометрической съемке рекомендуется следующий порядок работ.

До начала работ составляют абрис, на котором показывается точка, принятая за полюс, основное направление, расположение снимаемых контуров и элементы рельефа (рис.2.34). На абрисе намечают точки, подлежащие съемке. Они должны располагаться на углах контуров и по характерным линиям и точкам рельефа. Среднее расстояние между пикетажными точками – не более 15 – 20 м. После составления абриса над точкой съемочного обоснования, принятой за полюс, устанавливается теодолит, измеряется высота i инструмента над точкой и определяется место нуля (МО) вертикального круга

.

После этого лимб теодолита устанавливают (ориентируют) так, чтобы при наведении зрительной трубы на исходное основное направление отсчет по горизонтальному кругу был равен 0º 00'. Чтобы выполнить эту операцию, следует вначале установить нулевой отсчет и закрепить алидаду, а наведение трубы на основное направление выполнить винтами лимбами – закрепительным и наводящим. (При обработке результатов на ЭВМ лимб целесообразно ориентировать по дирекционному углу основного направления.)

Саму съемку ведут при одном положении трубы (КП или КЛ). На снимаемую точку ставят рейку, на нее наводят винтами алидады зрительную трубу и берут дальномерный отсчет . Затем по средней нити снимают высоту визирования L или наводят трубу на отсчет, равный высоте инструмента ( ), и снимают отсчеты β – по горизонтальному кругу и КЛ (или КП) – по вертикальному. Полученные данные заносят в журнал съемки, в котором предварительно должны быть записаны отметки – точки стояния, высоты i инструмента, исходное ориентирное направление и положение трубы при съемке (КП или КЛ). Аналогичным способом снимают и другие точки с данной станции.

После полевых измерений обрабатывают данные журнала съемки: для каждой точки вычисляют угол наклона ( или у теодолита Т30). Затем из тахеометрических таблиц по аргументам D и ν берется табличное превышение h’ и горизонтальное расстояние D₀ (таблицы составлены по формулам: и ). Затем подсчитывают отметки снятых пикетных точек

. (84)

Для тахеометрической съемки весьма удобно использовать номограммные тахеометры, которые освобождают наблюдателя от необходимости пользования таблицами. В таких тахеометрах сетка нитей зрительной трубы представляет собой номограмму с подвижными нитями, расстояние между которыми изменяется в зависимости от угла наклона ν визирной линии. При наведении такого прибора на рейку наблюдатель по номограммам сетки может сразу прочитать значения горизонтального расстояния D₀ и табличного превышения h’.

На рис.2.35 показано поле зрения такого тахеометра при наведении на рейку. Если взять разности отсчетов по рейке a₀=L – поосновной нити и a₁ – по нити горизонтальных проекций, то , . А табличное превышение h’ будет таково: , , .




Рис.2.35. Поле зрения

тахеометра

Обычно при обработке результатов на ЭВМ или программируемых калькуляторах в память машины вводят исходные данные и результаты измерений. А в процессе работы по стандартной программе на табло ЭВМ выносятся координаты и высоты снимаемых пикетов.

В последние годы XX века для тахеометрической съемки стали применять электронные тахеометры. Эти многофункциональные геодезические приборы состоят из электронного теодолита и светодальномера. С помощью встроенной микроЭВМ такой прибор позволяет решать различные геодезические задачи. С его помощью можно измерить горизонтальные и вертикальные углы, наклонные и горизонтальные расстояния, высоты точек, приращения или координаты снимаемых пунктов. Результаты измерений выводятся на накопитель информации или световое табло.

Съемка, выполняемая электронным тахеометром, имеет существенные особенности. В отличие от традиционного метода, в процессе работы наблюдатель и рабочий–реечник меняются местами. Рабочий стоит у прибора и наводит тахеометр на отражатель, а исполнитель выбирает реечные точки и ведет абрис. Связь между ними осуществляется с помощью мобильных радиопередатчиков.

Наибольший эффект от применения таких приборов достигается в открытой местности, когда расстояния до снимаемых точек можно увеличить до километра.
Порядок составления плана

1. На листе чертежной бумаги строят координатную сетку со стороной 10 см и по координатам в заданном масштабе наносят на план точки съемочного обоснования.

2. В соответствии с абрисами съемки и данными журнала с помощью измерителя и транспортира наносят на план снятые точки. Возле каждой точки подписывается ее отметка, по условным знакам зарисовываются контуры, а с помощью горизонталей – рельеф местности. После составления плана его проверяют на местности путем взятия контрольных пикетов.

В результате топографической съемки можно получить также так называемую цифровую модель местности – ЦММ. Она представляет собой упорядоченную информацию о местности, представленную в цифровой форме. Для создания ЦММ на ЭВМ или персональных компьютерах вычисляются по данным измерений координаты и высоты снятых точек местности, кодируются контуры ситуации и рельефа, а также условные знаки.

Обычно ЦММ состоит из нескольких независимых моделей (слоев) – рельефа местности, коммуникаций, зданий и сооружений, гидрографии, почвенно–растительного покрова и др.

С помощью ЭВМ и автоматического координатографа (графопостроителя) цифровую модель местности можно преобразовать в топографический план, и на основе ЦММ легко получить также и другие виды графической информации о местности: профили, блок-диаграммы и др. Цифровое моделирование является перспективным направлением в системах автоматического проектирования, и оно непрерывно совершенствуется.

Основы аэрофотосъемки и наземной фотосъемки
В настоящее время топографические карты, начиная с масштаба 1:10000 и мельче, создают методом аэрофотосъемки и космической съемки. Съемку местности выполняют с летательного аппарата, на котором устанавливают аэрофотоаппарат с широкой пленкой. С самолета, следующего по заданному маршруту и на определенной высоте, автоматически фотографируют местность.

Снимки (во избежание пропусков и для установления связи между ними) делают с перекрытием 60 %. Соседние маршруты перекрывают на 20 – 30 %.

По материалам выполненной съемки можно получить следующие документы: 1) отдельно взятые снимки; 2) накидной монтаж из снимков залета; 3) фотосхему; 4) фотоплан.

К аждый снимок представляет собой центральную проекцию точек местности. Если местность идеально ровная, а оптическая ось камеры направлена отвесно, то на снимке получается уменьшенное и подобное изображение, то есть план местности (рис.2.36). Его масштаб равен

. (85)

Как видно, масштаб снимка зависит от высоты полета H и фокусного расстояния объектива. При плановой фотосъемке допускается отклонение оптической оси камеры от вертикали не более 2 – 3°, а изменение высоты H полета – в пределах 2 – 3 %.

В
Рис.2.36. Идеальный случай

съемки
связи с тем, что снимаемая местность не является плоской, а оптическая ось камеры не всегда бывает отвесной, изображение местности на снимке получается с искажениями, которые возрастают по мере удаления от центра снимка. Поэтому рабочей площадью снимка считается только его центральная часть.

Накидной монтаж представляет собой комплект всех снимков залета, наложенных один на другой по маршрутам съемки. Такой монтаж позволяет определить качество залета и обнаружить возможные огрехи съемки.

Фотосхемой называется монтаж на жесткой основе центральных частей снимков, подобранных друг к другу по одноименным контурам.

Аэрофотоснимок и фотосхема являются первичным материалом съемки. А так как в процессе съемки высоту полета строго выдерживать постоянной невозможно, и оптическая ось камеры не всегда бывает отвесной, то снимки залета могут иметь разный масштаб и нести искажения.

Чтобы устранить эти недостатки и привести снимки к одному заданному масштабу, их трансформируют. Для этого до начала залета на местности создают разреженную опорную сеть опознавательных знаков (опознаков), для которых наземными методами определяют координаты и высоты. Чтобы опознак был зафиксирован на снимке, его должным образом маркируют. В дальнейшем по материалам съемки сеть опорных пунктов сгущают специальными методами фототриангуляции.

В итоге на каждом снимке появляется ряд точек с известными координатами. Если эти точки нанести на план в заданном масштабе, то при проектировании снимков на специальных приборах фототрансформаторах (типа фотоувеличителя) изображение опознаков на негативе можно совместить с точками плана в заданном масштабе, и после этого выполнить печать.

Ф

Рис.2.37. Наземная фотосъемка

отопланом называется монтаж на жесткой основе центральных частей трансформированных снимков, наложенных на план по координатам опознаков. Фотоплан является основным документом для составления карт земной поверхности. Контуры местности на плане дешифруют и вычерчивают по условным знакам, а горизонтали рельефа рисуют на специальных универсальных приборах, использующих стереоэффект. С вычерченного фотоплана печатают карты.

В условиях сильно пересеченной местности для составления крупномасштабных планов трудно применять аэрофотосъемку из–за больших искажений, возникающих на снимках. Поэтому здесь оказывается более выгоден метод наземной фотосъемки, в котором съемку ведут с помощью фототеодолита, представляющего собой комбинацию теодолита с фотографической камерой. Фотографирование местности обычно производят с двух точек, расстояние между которыми называется базисом B фотографирования (оно должно быть заранее измерено).

Координаты и высоты концевых точек базиса также определяют предварительно. При нормальных условиях съемки оптические оси камер располагаются перпендикулярно базису и на снимках для каждой точки местности измеряют координаты x, z (рис.2.37).

Пространственные прямоугольные координаты X, Y, Z точки местности A относительно оптического центра камеры левого снимка получены из подобия треугольников (см. рис.2.37):

, (86)

где – горизонтальный параллакс, – фокусное расстояние объектива камеры.

При аналитическом методе обработки измерение координат точек на снимках осуществляют на специальном приборе, а затем производят расчеты на ЭВМ, и на основе зависимостей (86) вычисляют пространственные координаты снятых точек. После этого по известным прямоугольным координатам точки О₁ и дирекционному углу базиса _b найденные значения координат переводятся в принятую систему Х^r, Y^r:

(87)

По этим данным строится план местности.

На практике используют и автоматизированные способы обработки материалов такой съемки на специальных приборах – стереоавтографах.

Методы наземной фотосъемки находят применение при обмерных работах памятников архитектуры, испытаниях инженерных сооружений под нагрузкой, когда нужно измерить возможные деформации строительных конструкций.