Лекция 11 Тема 11 Высотная съемка
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
Модуль 4. Геодезические съемки Лекция 11 Тема 11 Высотная съемка Вопросы: 1. Сущность и виды высотных съемок 2. Способы нивелирования 3. Классы геометрического нивелирования 4. Приборы и оборудования при проведении геометрического нивелирования 5. Способы нивелировании 6. Нивелирование по квадратам Сущность и виды высотных съемок Высотная отметка любой точки земной поверхности является ее третьей координатой — помимо двух плановых, определяемых в системе географических или прямоугольных координат. На картах, как известно, приводятся абсолютные высоты точек, т. е. высоты, определяемые относительно поверхности геоида (уровня моря). При высотных съемках местности невозможно каждый раз привязываться к уровню моря, поэтому за начальные (исходные) высоты принимают известные абсолютные высоты точек государственной высотной сети. Определение отметок высот точек сводится к установлению превышений между известной высотой исходной точки и точкой, высоту которой требуется определить. Комплекс измерительных работ по определению высотных характеристик топографической поверхности изучаемой местности называется нивелированием. Нивелирование — определение разности высот двух и более точек земной поверхности относительно условного уровня (напр., уровня океана, реки и пр.), то есть определение превышения. Определение отметок высот точек сводится к установлению превышений между известной высотой исходной точки и точкой, высоту которой требуется определить. Абсолютная высота точки земной поверхности - расстояние от этой точки по отвесной линии до уровенной поверхности, принятой за начало отсчета. Высоты точек определяются относительно уровенной поверхности, совпадающей со средним уровнем Балтийского моря и проходящей через «нуль» Кронштадского футштока. Эту систему высот называют Балтийской системой высот. На практике высоты точек нередко отсчитывают от уровенной поверхности, проходящей через произвольно выбранную точку. Такие высоты именуют условными. 2 Относительная высота (превышение) h - разность высот двух точек. При работе на небольших участках земной поверхности, не выходящей за пределы круга диаметром 20 км, уровенную поверхность Земли принимают за плоскость. В этом случае можно пренебречь кривизной Земли и получить упрощенную схему определения высот точек. Нивелирование выполняют для изучения форм рельефа, определения высот точек при изысканиях, определения высот опорных точек государственной и съемочной сетей, при съемке местности, при всевозможных исследованиях, при строительстве дорог, водо- и газопроводов, гражданских, промышленных и других объектов. Способы нивелирования Существуют следующие способы нивелирования: - тригонометрическое (производится угломерными приборами, в основном теодолитом или тахеометром); - арометрическое (производится при помощи барометра). - гидростатическое (производится при помощи гидроуровней) - радиолокационное (производится с помощью радиовысотомеров и эхолотов) - построение плоскостей (производится при помощи лазерного нивелира) - наземно-космическое нивелирование (производится с помощью приборов спутниковой навигации) - геометрическое (производится нивелиром и рейками). Тригонометрическое нивелирование. При тригонометрическом нивелировании превышение между точками определяют по измеренным вертикальным углам и расстояниям между точками (горизонтальным проложениям). Тригонометрическое нивелирование позволяет с одной станции определить практически любое превышение между точками, имеющими взаимную видимость, но его точность ограничена из-за недостаточно точного учета влияния на величины вертикальных углов оптического преломления и уклонений отвесных линий, особенно в горной местности. Тригонометрическое нивелирование применяется при топографической съемке и других работах. Барометрическое нивелирование (измерение высот). Один из методов нивелирования, основанный на установленной Блезом Паскалем в 1647 связи давления воздуха с высотой точки над уровнем моря. Для нивелирования употребляются барометры. Перенесение барометра с одного места на другое, возвышенное над первым на 10 м, сопровождается понижением ртутного столба приблизительно на 1 мм, но дальнейшее поднятие еще на 10 метров производит несколько меньшее понижение 3 ртути, а следующее поднятие — еще того меньшее. Измерение давления атмосферы с высотой усложняется его температурой, так как холодный воздух тяжелее теплого. Вдобавок пары воды, всегда содержащиеся в воздухе, количественно изменяются от многих причин, действующих иногда вместе, иногда отдельно, что опять влияет на атмосферное давление. Поэтому зависимость величины понижения ртутного столба в барометре с высотой места, на которое он перенесен, очень сложна, и вычислить возвышение одного места над другим из показаний барометра чрезвычайно трудно, коль скоро эти два места значительно удалены одно от другого. Эта трудность еще увеличивается, если в одной местности происходят перемены в атмосфере, не достигающие другой местности. В таких случаях приходится принять в расчет среднюю высоту ртутного столба в каждой из сравниваемых местностей, выведенную из многолетних наблюдений. Гидростатическое нивелирование. Основано на свойстве поверхности жидкости в сообщающихся сосудах находиться на одном уровне. Этот метод имеет высокую точность, позволяет определять разность высот между точками при отсутствии взаимной видимости, но измеряемая разность высот ограничена длиной наибольшей из трубок, соединенных шлангами. Для проведения гидростатического нивелирования используется гидроуровень. Гидроуровень — приспособление для оценки взаимного расположения удаленных предметов относительно выбранной горизонтальной плоскости. Радиолокационное нивелирование. Радиолокационное нивелирование, в котором используют скорость распространения прямых и отраженных электромагнитных волн от источника радиоизлучения до исследуемой точки местности и обратно, находит широкое применение при выполнении аэрофотосъемок для определения с помощью радиовысотомера высоты полета летательного аппарата, с которого осуществляется аэрофотосъемка. Погрешность в определении высот в зависимости от условий съемки достигает 2 - 5 м (до 10 м). Радиолокационное нивелирование можно проводить с помощью эхолотов, установленных на водных судах, автоматически вычерчивающих профиль проходимого пути) Построение плоскостей. Построение плоскостей выполняется лазерным нивелиром. При возведении высоких зданий и сооружений положение стен и других элементов на каждом этаже проверяют от осей. Точки пересечения осей проецируют лучом лазерного нивелира. Отметки проецируются с использованием принципа вращения лазерного луча и оптической системы, позволяющей развернуть луч в линию. Многие модели лазерных уровней имеют также возможность построения наклонных плоскостей и отвесных линий. 4 Наземно-космическое нивелирование. Основано на использовании систем и приборов спутниковой навигации («GPS»). Приборы спутниковой навигации позволяют практически мгновенно определять координаты точек местности (в том числе и высоты). Геометрическое нивелирование. Во время геометрического нивелирования превышение между точками получают как разность отсчетов по рейкам при горизонтальном положении визирной оси нивелира. Этот метод является наиболее простым и точным, но позволяет с одной постановки прибора получить превышение не более длины рейки, поэтому при больших превышениях в горной местности его эффективность падает. Классы геометрического нивелирования Геометрическое нивелирование по технологии и точности работ разделяется на I, II, III и IV классы и техническое нивелирование. Нивелирование I, II, III и IV классов составляет государственную нивелирную сеть, которая является высотной основой топографических съемок всех масштабов и геодезических измерений, проводимых для удовлетворения потребностей хозяйственной деятельности и обороны страны. Нивелирная сеть I и II классов является главной высотной основой, посредством которой устанавливается единая система высот на всей территории страны. Она также предназначается для научных целей, связанных с изучением колебаний земной коры. Нивелирные сети ІІІ и IV классов и технического нивелирования служат высотной основой топографических съемок и предназначаются для решения различных инженерных задач (планировка, застройка и благоустройство населенных пунктов; проектирование и строительство дорог, оросительных и осушительных систем; водоснабжение, канализация и т. п.). Приборы и оборудования при проведении геометрического нивелирования Для проведения геометрического нивелирования используются нивелиры и нивелирные рейки. Оптический нивелир - это прибор, предназначенный для определения превышений (разности высот) между точками методом геометрического нивелирования по вертикальным нивелирным рейкам. Оптические нивелиры подразделяются на три группы: высокоточные, точные и технические. Основная характеристика для разделения оптических нивелиров на группы - точность. Точность оптического нивелира 5 определяется средней квадратической погрешностью измерения превышения на 1 км двойного хода. Значение погрешности приводится в миллиметрах. Точные и технические оптические нивелиры изготавливаются со зрительной трубой прямого изображения, высокоточные - и прямого, и обратного. Нивелирная рейка — проградуированная рейка для измерения разности в уровнях с помощью нивелира или другого геодезического оборудования. Изготавливается из дерева или алюминия, для особо точных измерений изготавливают рейки из инвара. Изображение чисел на рейке бывает как нормальное, так и перевернутое (в старых нивелирах изображение было перевернуто). Рис. 78 Определение превышения между точками А и В с помощью рейки РН-3 Нивелирные рейки для нивелирования III – IV класса и технического изготавливают из деревянных брусьев двутаврового сечения шириной 8-10 и толщиной 2-3 см. Рейка РН-3 имеет длину 3 м. Шкала рейки нивелирной представляет собой шашечные деления 10х15мм, нанесенные с интервалом 10мм на белой поверхности рейки, черные с одной стороны и красные с другой (рис. 78).. Цифрами показаны только дециметровые деления, поэтому рейка называется дециметровой. Нижняя часть рейки заключена в металлическую оковку и называется пяткой. 6 Основная шкала имеет деления черного и белого цвета, ноль совмещен с пяткой рейки. Дополнительная шкала на другой стороне рейки имеет чередующиеся красные и белые деления. С пяткой рейки совмещен отсчет больше 4000 мм. Часто встречаются комплекты реек, у которых с пятками красных сторон совпадают отсчеты 4687 и 4787 мм. Поэтому превышения, измеренные по красным сторонам реек, будут больше или меньше на 100 мм измеренных по черным сторонам реек. Направляя визирный луч зрительной трубы нивелира на рейки, определяется превышение. Превышением называется разность высот точек. Найти превышение можно как разность отсчетов по рейкам. Если отсчет больше, то значит точка, ниже. При вычислении превышений важно обращать на знак. Если превышение положительное, то измерение идет вверх по склону, если же превышение отрицательное, то измерение идет вниз по склону. Если при вычислении превышений все отсчет одинаковые, значит, что точки находятся на одной высоте и поверхность одинаковая. Способы нивелирования Рис. 79 Геометрическое нивелирование из середины Различают способы геометрического нивелирования «из середины» и «вперед». Геометрическое нивелирование «из середины» осуществляют следующим образом. Мысленно представим себе разрез и уровень Балтийского моря (рис. 79). Высоту точки А над уровнем Балтийского моря обозначим через Н А , соответственно через Н В обозначим высоту точки В. Отсчетом по рейке установленном в точке А называется расстояние от пятки рейки до визирной линии. Обозначим его как а. Отсчет по второй рейке обозначим 7 как b. Так как линия визирования горизонтальная, то по картинке видим, что сумма отрезков слева равны сумме отрезков справа, те сумма отсчета и отметки на первой точке равны сумме отсчета и отметки на второй точке (рис. 79). В результате получена классическая формула нивелирования 𝐻 𝐴 + 𝑎 = 𝐻 𝐵 + 𝑏 Если известна высота точки А, то можно вычислить высоту или отметку точки В. Поэтому за первую точку принимают обычно ту, отметка которой известна. Эту точку называют задней, а вторую и, последующие точки, называют передней. В качестве начальной точки используют специальный геодезический знак, который называется репер. Репер может находится в грунте - грунтовый репер, может находится в стене - стеновой репер. Репер может быть временный и постоянным. Способ нивелирования «из середины» является основным при производстве инженерных работ, поскольку на результаты нивелирования практически не сказывается точность юстировки прибора (нивелира), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы. При геометрическом нивелировании способом «вперед» прибор устанавливают таким образом, чтобы окуляр его трубы находился над точкой А. Вертикальное расстояние от центра окуляра до точки А, называют высотой прибора i. Высоту прибора обычно измеряют с помощью вертикально установленной рейки. Если в точке В установить рейку и взять на нее отсчет «взгляд вперед» b, то превышение между точками А и В определится: ℎ = 𝑖 − 𝑏 т. е. превышение между точками равно высоте прибора минус «взгляд вперед». На результаты нивелирования способом «вперед» существенное влияние оказывает точность юстировки прибора (т. е. обеспечение практической горизонтальности визирной оси), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы. Поэтому геометрическое нивелирование способом «вперед» используют, как правило, при поверках и юстировках нивелиров перед началом полевых работ. 8 Рис. 80 Нивелирный ход Виды геометрического нивелирования. Нивелирование с одной стоянки прибора (станции) называют простым (станция — место постановки нивелира). Если требуется определить превышения или высоты для многих точек на значительном протяжении, то нивелирование осуществляют с нескольких станций, т. е. прокладывают нивелирный ход (рис. 80). Такое нивелирование называют сложным. Рис. 81 Разбивка трассы на пикеты (расстояние по оси трассы и размеры кольев указаны в метрах) а-нумерация, б-кол, в-сторожок Процесс геометрического нивелирования. Предварительно по трассе нивелирного хода проводится пикетаж (размечаются места станций и пикетных точек). Для этого через каждые 100 забивают вровень с землей колышек и рядом с ним второй колышек — «сторожок», который выходит 9 на 15-20 см над уровнем земли. На сторожке отмечается номер пикета. Счет пикетам ведется от начального колышка, который нумеруется нулем (ПК О ), далее ПК 1 , ПК 2 — и так до конца трассы. По номеру пикета легко определить пройденное расстояние от ПК 0 , например 28 пикет показывает расстояние 28 х 100 м=2,8 км (рис. 81). Рис. 82 Плюсовая точка (ПК 1+30 ) Точки, определяющие микроструктуру рельефа (перегибы скатов, небольшие котловинки или поднятия, характерные переломы линий и т. п.), как и углы поворота линии хода, очень редко совпадают с пикетами. Для того чтобы они были отображены на профиле, необходимо узнать их высотные отметки. В этих промежуточных точках забивают колышки и ставят сторожки и называют их плюсовыми, так как расстояние, измеренное до них от предыдущего пикета, плюсуют к их номерам (например, ПК 16+38 ) (рис. 82).. Плюсовые точки изображаются на продольном профиле. Отметки плюсовых точек на станции вычисляют при помощи горизонта инструмента (ГИ), значение которого для данной станции получают суммированием абсолютной отметки задней точки и отсчета по черной стороне стоящей на ней рейки. Из значения ГИ вычитают отсчеты, взятые на плюсовые точки. По вычисленным высотным отметкам («отметкам Земли») строят профиль. 10 Рис. 81 Иксовая точка В некоторых случаях (при нивелировании крутых склонов) с одной стоянки нивелира нельзя взять отсчеты на два смежных пикета. В этом случае берут дополнительные точки. Эти точки необходимы для передачи отметки с одного пикета на другой. На профиль эти точки не наносятся, поэтому их положение не определяется. Вследствие этого, эти точки называют иксовыми, то есть неизвестными. Иксовая точка, так же как и пикетная, является связующей. Отсчеты на эту точку берутся по черной и красной сторонам рейки с обеих соседних станций (рис. 81).. Иксовые точки на продольном профиле не изображаются, поэтому расстояние до них не измеряется. В процессе геометрического нивелирования, инструмент поочередно устанавливается на станциях I, II, III и т. д., а рейки в точках (пикетах) 0, 1, 2, 3 и т. д. Превышения h 1 , h 2 , h 3 и т. д. определяют по линии хода между пикетами 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3 и т. д., т. е. между связующими точками. Таким образом, превышение последней и первой точек будет равно алгебраической сумме превышений между отдельными пикетами (рис. 81): 11 Рис. 81 Сумма превышений между отдельными пикетами ℎ 0−𝑛 = ℎ 1 + ℎ 2 + ℎ 3 + … … ℎ 𝑛 = ∑ ℎ В нивелирном ходе возможны следующие случаи. 1. Разомкнутый нивелирный ход. Нивелирный ход проложен между двумя реперами. В этом случае фактическая высотная невязка хода ∫ ℎ = ∑ ℎ 𝐶𝑃 − (𝐻 КОН − 𝐻 НАЧ ) = ℎ АБ где (H КОН − H НАЧ ) = h АБ - известное превышение между конечной и начальной точками хода. 2. Замкнутый нивелирный ход. Поскольку ход начинается и заканчивается на одной и той же точке, то известное превышение h АБ = 0. Тогда ∫ ℎ = ∑ ℎ 𝐶𝑃 Фактическая высотная невязка хода технического нивелирования не должна превышать допустимую, определяемую по формуле ∫ ℎ ДОП = 50мм√𝐿 Если число станций превышает 16 станций на километр, то применяют следующую формулу ∫ ℎ ДОП = 10мм√𝑛 где L – длина хода, км; n – число станций в ходе. Для определения уравненных (увязанных) превышений вводят поправки в среднее превышение, со знаком противоположным знаку невязки. Контролирующая формула 12 ∑ ℎ ув = (𝐻 КОН − 𝐻 НАЧ ) По исправленным превышениям вычисляют отметки связующих точек 𝐻 𝑛 = (𝐻 𝑛−1 + ℎ ув ) где H n−1 – отметка предыдущей точки хода; H n – вычисляемая отметка. После увязки нивелирного хода и определения отметок связующих плюсовых точек вычисляют отметки промежуточных точек через горизонт инструмента ГИ. 𝐻 = ГИ 𝑖 − с где ГИ i – отметка горизонта инструмента на данной станции, равная ГИ 𝑖 = 𝐻 𝑛 + 𝑎 где H n – отметка задней связующей точки; а – отсчет по черной стороне задней рейки; с – отсчет на промежуточную точку. По вычисленным высотным отметкам («отметкам Земли») строят профиль. Нивелирование по квадратам При съемке небольших участков местности с равнинным рельефом удобно применять метод съемки плана и нивелирования по квадратам. Суть этого метода состоит в том, что на местности сначала разбивают сеть квадратов и ведут одновременно съемку плана. Затем производят геометрическое нивелирование точек, расположенных по вершинам углов квадратов. Размеры сторон квадратов устанавливаются от 10 до 40 м в зависимости от характера рельефа местности и масштаба съемки. Разбивку сети квадратов на местности начинают обычно с разбивки линии АВ (рис. 82), расположенной на середине снимаемого участка. Длина линии АВ в этом случае должна быть кратна длине сторон квадратов. Часто линию АВ разбивают параллельно оси главного пути. С этой целью в точках Х 1 , Х 2 , Х 3 , расположенных на оси пути, отбивают перпендикуляры, на которых откладывают с помощью ленты или рулетки одинаковые расстояния до середины снимаемого участка. Полученные точки А, С, В должны лежать на прямой линии, определяющей исходное начало для разбивки сети квадратов. Если, например, требуется разбить сеть квадратов в пределах площади, ограниченной точками О, М, В, N, F, A, то сначала разбивают с помощью эккера и ленты линии FAO и NBM. Затем промеряют стороны ОМ и FN, длины которых должны быть равны АВ 13 Рис. 82 Нивелирование площади по квадратам .Для получения вершин квадратов внутри контура производят промер лентой сначала от крайних точек по сторонам ОМ и FN контура, затем от линии АВ по направлению створов 1-1′ , 2-2′, и т.д. При этих промерах производится одновременно съемка ситуации, наносимой на абрис. Вершины углов образовавшихся квадратов закрепляют сторожками, и на них указывают название линий, в пересечении которых находится данная точка. Правильность положения вершин квадратов внутри контура поверяют также контрольными измерениями в направлении, перпендикулярном к направлению створов (1-1′ и т.д.), и по диагоналям квадратов. Закончив таким образом разбивку сети квадратов, переходят к нивелированию площади. Существует два способа нивелирования площади: с одной станции и с нескольких станций. Первый способ применяется в том случае, если разность высот в пределах участка съемки не превышает 2,5-3 м наибольшая длина сторон прямоугольного контура сети квадратов составляет не более 300 м. При нивелировании с одной станции нивелир устанавливают в точке, расположенной примерно на середине снимаемого участка, и с помощью трубы нивелира производят отсчеты по рейке, устанавливаемой последовательно во всех точках сети квадратов. 14 Результаты отсчетов на рейке каждый раз записывают в журнал нивелирования или непосредственно на схеме разбивки сети квадратов, составленной на бумаге. На этой же схеме сети квадратов указывают расположение подробностей ситуации в пределах снимаемой площади. Чтобы легче было вести расчеты по определению отметок точек местности, отсчет на рейке, установленной, например, в точке А (рис. 62), записывают в графу «задние» связующей, а всех последующих точек- в графу «промежуточные». Отметку точки А получают обычно путем привязки к ближайшему в районе съемки реперу или другому постоянному знаку государственного или ведомственного нивелирования. Если с одной станции невозможно выполнить нивелирование площади, последнюю нивелируют с нескольких станций (I; II, III), (рис. 82). При этом расположение станций выбирается так, чтобы между связующими точками r 1 , r 2 , r 3 образовался сомкнутый нивелирный ход. Обработка нивелировки в этом случае начинается с вычисления отметок связующих точек и их увязки. По увязанным отметкам вычисляется окончательное значение горизонта инструмента на каждой станции и производится подсчет отметок всех точек в пределах данной станции. Вопросы для самоконтроля: 1. Что такое нивелирование 2. Что называется абсолютной точки земной поверхности 3. Что принято за нулевой уровень абсолютной высоты 4. Какие высоты называются условными 5. Что такое относительная высота (превышение) 6. Виды нивелирования земной поверхности 7. На какие классы по технологии и точности работ подразделяется геометрическое нивелирование 8. Что составляет государственную нивелирную сеть 9. Для чего предназначена нивелирная сеть I и II класса 10. Для чего предназначена нивелирная сеть III и IV класса 11. Какие приборы используются при геометрическом нивелировании 12. На какие группы делится оптические нивелиры 13. Что является основной характеристикой оптических нивелиров 14. Что такое нивелирная рейка 15 15. Для чего нужен контрольный отсчет по красной стороне дециметровой рейки 16. Основной принцип геометрического нивелирования 17. Способы геометрического нивелирования 18. Процесс геометрического нивелирования способом из «середины» 19. Процесс геометрического нивелирования способом «вперед» 20. Что используется в качестве начальной точки геометрического нивелирования 21. Что влияет на результаты нивелирования при съемке способом «вперед» 22. Что называют нивелирным ходом 23. Что такое «плюсовые» точки 24. Что такое «иксовые» точки 25. Что такое горизонт инструмента ГИ 26. Чему равна высотная невязка при разомкнутом нивелирном ходе 27. Чему равна высотная невязка при замкнутом нивелирном ходе 28. Чему равна абсолютная высота промежуточной точки 29. Почему промежуточная точка называется «плюсовой» 30. Что такое поперечный профиль местности 31. Отмечается ли на поперечном профиле «плюсовая» точка 32. Отмечается ли на поперечном профиле «иксовая» точка 33. Как проводится нивелирование по квадратам |