Абсолютные и относительные высоты

Расстояние по отвесной линии от точки местности до уровенной поверхности называется абсолютной высотой точки. На рисунке 8.1 рассмотрим разрез местности с точками А и В и уровенной поверхности ОО Земли. Здесь расстояния А₀А = Н_А и В₀В = Н_В являются абсолютными высотами точек А и В на местности. Расстояние по отвесной линии от точки местности до некоторой условной поверхности, параллельной уровенной называется условной или относительной высотой точки.

 

Рисунок 8.1

 

Высоты точек называют также отметками. Например, Н_А = +216,35м - абсолютная отметка точки А. Отметки точек местности могут быть положительными или отрицательными. Отметка точки считается положительной, если эта точка расположена выше поверхности, от которой ведется счет высот; отметка точки, расположенной ниже такой поверхности, считается отрицательной. Например, абсолютные отметки побережья Каспийского моря – отрицательные, так как уровень Каспийского моря ниже уровенной поверхности Земли.

 

 

Превышения

Разность высот двух точек называется превышением. На рисунке таким превышением точки В над точкой А является величина Δh = В₁В.

Превышение может быть положительным и отрицательным. Например, превышение в направлении от точки А к точке В будет положительным, так как от точки А к точке В местность повышается и высота точки В больше высоты точки А. Если же превышение будем считать в направлении от точки В к точке А, то оно будет отрицательным, так как от точки В к точке А местность понижается и высота точки А меньше высоты точки В.

Из рисунка видно, что если будет известна отметка Н_А точки А, то для определения отметки Н_В точки В нужно знать превышение Δh. В этом случае отметка Н_В будет равна Н_В = Н_А + Δh.

Если же будет известна отметка Н_В точки В, то отметка Н_А точки А будет равна Н_А = Н_В - Δh.

Таким образом, в общем случае отметка Н_i+1 последующей точки плюс или минус превышение Δh, т.е. Н_i+1 = Н_i Δh.

Задача вертикальной съемки или нивелирования заключается главным образом в измерении превышений, которое осуществляется с помощью нивелира.

В зависимости от устройств, применяемых для приведения визирной оси трубы в горизонтальное положение, нивелиры выпускают двух типов: с компенсатором углов наклона зрительной трубы и с уровнем при ней. У нивелиров, выпускаемых промышленностью СНГ, наличие в марке буквы «К» означает, что труб нивелира снабжена компенсатором, а буквы «П» — прямое изображение, например нивелиры Н-05, Н-ЗКП, Н-10КП.

Нивелиры с компенсатором угла наклона зри тельной трубы называются самоустанавливающимися(рис. 8.2, а ) Компенсация угла наклона визирной оси или автоматическое приведение ее в горизонтальное положение у этих нивелиров происходит за счёт автоматического поворота компенсирующего элемента (компенсатора) оптической системы (рис.8.2, б).

Рисунок 8.2 - Нивелир Н-10К:

а — внешний вид; б — оптическая схема; / — установочная прижимная пластина; 2 — маховичок; 3 — корпус; 4 — круглый уровень с зеркальцем; 5 — объектив; 6 — подставка; 7 — закрепительный винт; 8, 12 — линзы объектива и окуляр; 9, 10 — пентапризмы; 11 — сетка нитий; 13, 14 — призма и рамка

Так, компенсатор нивелира Н-10КП состоит из двух пентапризм 9 и 10 (пятиугольных призм), склеенных между собой и скрепленных с корпусом прибора коробчатой формы, а также подвижной прямоугольной призмы. Прямоугольная призма заключена в рамку, перемещаемую в вертикальной плоскости маховичком 2, тленным в корпусе 3. Ее перемещение обеспечивает фокусировку зрительной трубы по объекту наведения. Диапазон работы компенсатора определяют по максимальному углу наклона оси нивелира. У нивелиров для низкоточных и технических работ этот диапазон колеблется в пределах 5...20'.

До начала работ нивелир вынимают из укладочного ящика и укрепляют на штативе становым винтом. Выдвигая и убирая ножки штатива, устанавливают его головку «на глаз» в горизонтальное положение. Затем с помощью подъемных винтов подставки приводят пузырек круглого уровня к середине концентрических окружностей или в нуль-пункт.

Подготовка нивелиров для работы состоит из двух действий: приведения визирной оси прибора в горизонтальное положение (нивелир с компенсатором считается готовым к работе, если пузырек круглого уровня приведен в середину концентрических окружностей, нанесенных на стеклянной капсуле уровня) и установки трубы для наблюдения.

Трубу устанавливают по рейке вращением корпуса рукой. Наведение трубы на рейку фиксируют закрепительным винтом. В некоторых нивелирах закрепительного винта нет, а корпус имеет постоянное фрикционное (тугое) сцепление с вертикальной осью вращения нивелира. Точное наведение зрительной трубы по рейке производят наводящим винтом (под точным наведением понимают такое положение, при котором сетка нитей зрительной трубы совпадает с осью рейки).

Нивелиры с цилиндрическим уровнем имеют зрительную трубу и цилиндрический уровень. Труба с уровнем укреплена на вертикальной вращающейся оси, входящей в подставку, более распространенные нивелиры этого типа: Н-3, Н-10. Нивелир Н-3 (рис. 8.3, а) состоит из верхней части, несущей зрительную трубу 6 с цилиндрическим 7 и круглым 3 уровнями, основанием, наводящим 10, элевационным 4 и закрепительными 9 винтами, и нижней, представляющей собой подставку с тремя подъемными винтами 1 и прижимной пластиной 11. |

Зрительная труба представляет собой телескопическую систему (рис. 8.3, б), состоящую из объектива 12, фокусирующей линзы 13, сетки нитей 14 и окуляра 15. Лучи, идущие от концов пузырька уровня 22, отражаются от скошенных граней призм 21, направляются в расположенную сбоку прямоугольную призму 19, идут в призму 18, затем через линзу 17 и призму 16 попадают в окуляр зрительной трубы нивелира. Пузырек уровня освещается светом, передаваемым в трубу зеркалом 20. Пузырек цилиндрического уровня приводится в нулевое положение элевационным винтом 4.

 

Рисунок 8.3 - Нивелир Н-3

а — внешний вид; б — оптическая схема; /, 4, 5, 9, 10 — винты; 2 — подставка 3, 7 — уровни; 6 — зрительная труба; 8 — визир; 11 — установочная прижимная пластина; 12 — объектив; 13 — фокусирующая линза; 14 — сетка нитей; 15 окуляр; 16... 19, 21 — призмы и линзы; 20 — зеркало; 22 — уровень

Цилиндрический уровень 7, расположенный в корпусе слева от зрительной трубы, служит для точного приведения визирной оси прибора в горизонтальное положение. Для грубого приведения вертикальной оси прибора в отвесное положение служит круглый уровень 3. Пузырек круглого уровня приводится в нулевое положение подъемными винтами 1 подставки 2. Зрительную трубу 6 наводят на рейку винтами 1 подставки 2. Затем зрительную трубу наводят на рейку по визиру 8 винтом 10 при закрепленном винте Резкость изображения нивелирной рейки достигается вращением винта 5 фокусирующей линзы.

Нивелир крепится к штативу прижимной пластиной 11, которая в своей центральной части имеет втулку с резьбой под стан вой винт штатива.

Нивелир с цилиндрическим уровнем готовят к работе так жекак нивелир с самоустанавливающейся линией визирования.

Лазерные нивелиры (рис. 8.4) представляют собой комбинацию нивелира 6 с компенсатором и лазерной трубкой 1. Из лазерной трубки с помощью световода 2 луч направляют в переходную деталь 4, из которой он попадает в оптическую систему выходит в виде видимого горизонтального лазерного луча из объектива 5 нивелира. Блок электропитания 7 крепится к штативу 3.

 

Рисунок 8.4 - Лазерный нивелир:

1 — лазерная трубка; 2 — световод; -3 — штатив; 4 — переходная деталь; 5 — объектив; 6 — нивелир; 7 — ис­точник электропитания

При небольших расстояниях (до 100 м) используют деревянные рейки с сантиметровыми делениями. Рейки устанавливают в ни­велируемых точках; после визирования на них и фокусировки ла­зерного пучка реечник берет отсчет визуально на рейке по пят-

ну лазерного пучка. При необходимости выполнения точных нивелирных работ используют рейки со специальными под­вижными каретками с фотодетекторами, по которым с высокой точностью опре­деляют центр лазерного луча, попавшего на рейку.

Иностранные фирмы выпускают высокоточные нивелиры с регистрирующим электронным устройством, которое позволяет автоматически регистрировать отсчеты по рейкам и вычислять превышения между точками. Автоматизирован и весь процесс обработки результатов нивелирования с их запоминанием и хранением. Примером может служить нивелир Рени 002А фирмы «Карл-Цейсе Йена» (Германия).

Технические возможности нивелиров позволяют работать с ними людям со зре­нием +5 диоптрий. Как правило, ниве­лиры работоспособны при температуре -30...+50°С.

Каждому нивелиру придается не менее двух однотипных ниве­лирных реек.

Нивелирная рейка (рис. 8.5, а) состоит из двух брусков двутаврового сечения, соединенных между собой металлической фурнитурой. Это позволяет складывать рейку для транспортиро­вания. Рейка имеет градуировку на обеих сторонах. Сантиметро­вые шашки наносят по всей длине рейки с погрешностью 0,5 мм и оцифровывают через 1 дм. Высота подписанных цифр не ме­нее 40 мм. На основной стороне рейки шашки черные на белом фоне, на другой (контрольной) — красные на белом фоне. На каждой стороне рейки три цветные шашки каждого дециметрово­го интервала, соответствующие участку в 5см, соединяются вер­тикальной полосой. Для контроля при отсчетах по двум сторонам рейки начало первого оцифрованного дециметрового интервала контрольной стороны смещено по отношению к началу первого оцифрованного дециметрового интервала основной стороны.

Для удобства и быстроты установки нивелирные рейки иногда снабжают круглыми уровнями и ручками. На торцах нивелирной рейки укрепляют пятки в виде металлических полос толщиной 2 мм.

Рейки маркируют так: например, тип РН-10П-3000С означает, что это рейка нивелирная, со шкалой деления (разграфкой) 10 мм, подписью цифр «прямо», длиной 3000 мм, складная. Для точных и технических работ выпускают рейки длиной 3 и 4 м.

Рисунок 8.5 – Нивелирная рейка

а — внешний вид; б — костыль; в — башмак; г — отсчеты по рейке

Нивелирные рейки можно при­менять в разное время года при раз­личных метеорологических услови­ях. Температурный диапазон рабо­ты реек-40...+ 50 °С.

Во время работы рейки устанав­ливают на деревянные колья, кос­тыли или башмаки.

Костыль (рис. 8.5, б) — это ме­таллический стержень с заострен­ным концом с одной стороны и сферической шляпкой с другой. Для забивки костыля в грунт на его вер­хний торец надевают крышку.

Башмак (рис. 8.5, в) — это тол­стая круглая или треугольная метал­лическая пластина на трех ножках. В середине пластины укреплен стер­жень со сферической шляпкой, на ко­торую опираются нивелирные рейки. Рейки устанавливают вертикаль­но «на глаз» или с помощью уровня. Если уровня нет, отсчет по рейке берут при покачивании рейки в сто­рону нивелира и от него. Из всех видимых отсчетов берут наименьший — он соответствует отвесному положению рейки.

Отсчеты по рейкам (рис. 8.5, г) производят по средней нити нивелира — по месту, где проекция средней нити пересекает рей­ку. Сделать отсчет по рейке — это значит определить высоту ви­зирной оси нивелира над нулем (основанием) рейки. Цифры счи­тывают в такой последовательности: сначала меньшую подпись, видимую вблизи средней нити (сотни миллиметров) ■, потом при­бавляют к ней целое число делений, на которое нить сетки отсто­ит от меньшей подписи в сторону большей (десятки миллимет­ров), затем наименьший десятимиллиметровый отрезок делят «на глаз» (число миллиметров). Отсчет записывают в миллиметрах (на рис. 8.5, г он равен 1514).

Виды нивелирования

Превышение может измерено непосредственно или определено косвенным путем. В зависимости от того или иного способа определения превышений различают нивелирование: геометрическое, тригонометрическое и физическое.

Идея геометрического нивелирования состоит в следующем: если через точку В провести воображаемую горизонтальную линию ВА₁, а в точке А установить в вертикальном положении рейку (деревянный брусок с делениями), то образуется прямоугольник АА₁ВВ₁, где стороны АВ₁ и ВА₁ – горизонтальные, а АА₁ и ВВ₁ – вертикальные. Сторона ВВ₁ является превышением. По свойству прямоугольника В₁В=АА₁. следовательно, чтобы определить превышение достаточно непосредственно измерить отрезок АА₁.

Геометрическое нивелирование называют также нивелированием горизонтальным лучом, так как в этом случае превышение определяется при помощи горизонтального визирного луча.

Приступая к практическому определению превышения Δh между двумя точками А и В (рисунок 8.2) в этих точках устанавливают в вертикальном положении две одинаковые рейки с делениями, нулевой штрих которых совпадает с нижним торцом реек. Затем в точках пересечения с рейками горизонтального луча НН прочитывают отчеты а и b, представляющие собой длины отрезков о точек А и В до горизонтального луча НН.

 

Рисунок 8.6

 

На рисунке 8.6 видно, что прямые НН и АВ₁ параллельны, поскольку обе эти линии горизонтальны. Следовательно, вертикальные отрезки между прямыми равны между собой, то есть Δh + b = а, откуда Δh = а – b, то есть превышение одной точки над другой равно разности отсчетов по рейкам, установленным в этих точках.

Знак превышения Δh зависит от направления хода нивелирования. При этом одна из двух смежных точек условно принимается предыдущей (задней по ходу), а вторая – последующей (передней). Например, на рисунке 8.6 при направлении от точки А к точке В задней точкой будет А, а передней – точка В. В этом случае превышение точки В над точкой А будет положительным.

Для геометрического нивелирования применяются специальные инструменты (нивелиры) и рейки.

Способы физического нивелирования:

§ Гидростатическое;

§ Барометрическое;

§ Радионивелирование;

§ Механическое;

§ Стереофотограмметрическое.