Приборы применяемые при геодезических работах

Для геодезических работ любого плана используются различными способами многочисленные инструменты и методы. Недавно, на смену старому поколению приборов и методов, использующихся при геодезической съемке, пришло новое. В таблице 1 представлены основные приборы и инструменты для геодезических работ [7, C.112].

Группа приборов и инструментов	Название. шифр
Обычные геодезические приборы	Теодолиты:2Т30, 4Т30П, 4Т15П, 3Т5КП Нивелиры: Н3, 2Н – ЗЛ Ленты: ЛЗ – 20, ЛЗШ – 50 Рулетки: 20, 30, 50 м
Специальные геодезические приборы	Приборы вертикального проектирования: Лазерные визиры, нивелиры, теодолиты: ЛВ, ЛН, ЛТ
Малые контрольные приборы	Отвес, рейка – отвес, уровни, ватерпас
Приспособления и устройства	Шаблоны, кондукторы

Таблица 1 – Приборы и инструменты для геодезических работ

 

Тахеометр – многофункциональный геодезический прибор, сочетающий в себе теодолит, лазерный дальномер и компьютер, предназначенный для решения множества строительных и геодезических задач. Наиболее популярны тахеометры Topcon, Sokkia, Leica.

Теодолит – геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах. Наиболее популярны теодолиты Sokkia, Pentax, Vega.

Нивелир – геодезический инструмент для определения разницы высот точек земной поверхности. Наиболее популярны нивелиры Leica, Sokkia, Pentax.

GPS приемник – геодезический прибор для выполнения спутниковых определений

Приборы вертикального проектирования предназначены для передачи планового положения точек в зенит (вверх) или надир (вниз).Они применяются при строительстве высотных зданий, сооружений и дымовых труб. Используются при установке буровых вышек, теле – и радиоантенн.

Гиротеодолит – гироскопическое визирное устройство, предназначенное для ориентирования туннелей, шахт, топографической привязки. Служит для определения азимута (пеленга) ориентируемого направления и широко используется при проведении маркшейдерских, геодезических, топографических и других работ [9, C.71].

Новым их поколением является электронное и лазерное оборудование, пришедшее на смену оптическому.

Электронный тахеометр – геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Используется для вычисления координат и высот точек местности при топографической съёмке местности, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек.

Тахеометры, в которых все устройства (угломерные, дальномерные, зрительная труба, клавиатура, процессор) объединены в один механизм, называют интегрированными тахеометрами.

Тахеометры, которые состоят из отдельно сконструированного теодолита (электронного или оптического) и светодальномера, называют модульными тахеометрами.

В электронных тахеометрах расстояния измеряются по разности фаз испускаемого и отраженного луча (фазовый метод), а иногда (в некоторых современных моделях) – по времени прохождения луча лазера до отражателя и обратно (импульсный метод). Точность измерения зависит от технических возможностей модели тахеометра, а также от многих внешних параметров: температуры, давления, влажности.

Диапазон измерения расстояний зависит также от режима работы тахеометра: отражательный или безотражательный. Дальность измерений при безотражательном режиме напрямую зависит от отражающих свойств поверхности, на которую производится измерение. Дальность измерений на светлую гладкую поверхность (штукатурка, кафельная плитка) в несколько раз превышает максимально возможное расстояние, измеренное на темную поверхность. Максимальная дальность линейных измерений для режима с отражателем (призмой) – до пяти километров (при нескольких призмах – ещё дальше); для безотражательного режима – до одного километра. Модели тахеометров, которые имеют безотражательный режим, могут измерять расстояния практически до любой поверхности, однако следует с осторожностью относиться к результатам измерений, проводимых сквозь ветки, листья и подобные преграды, поскольку неизвестно, от чего именно отразится луч, и, соответственно, расстояние до чего он измерит.

Существуют модели тахеометров, обладающие дальномером, совмещенным с системой фокусировки зрительной трубы. Преимущества таких приборов заключается в том, что измерение расстояний производится именно на тот объект, по которому в данный момент выставлена зрительная труба прибора.

Точность угловых измерений современным тахеометром достигает половины угловой секунды (0°00’00,5"), расстояний – до 0.6мм + 1 мм на км (например, в тахеометрах серии TS30 от фирмы Leica Geosystems).

Точность линейных измерений в безотражательном режиме – 2мм + 2мм на км.

Большинство современных тахеометров оборудованы вычислительным и запоминающим устройствами, позволяющими сохранять измеренные или проектные данные, вычислять координаты точек, недоступных для прямых измерений, по косвенным наблюдениям. Некоторые современные модели дополнительно оснащены системой GPS (например, Leica Smart Station).

Тахеометры, собираемые из отдельных модулей, позволяют выбрать компоненты именно под конкретные прикладные задачи, полностью исключив лишнюю функциональность.

Автоматическое считывание углов выполняется путем их перевода в электрические сигналы при помощи аналого–цифровых преобразователей (АЦП). Применяют в основном два вида АЦП–кодовый и инкрементальный (цифровой, дигитальный).

При кодовом методе лимб является кодовым диском с системой кодовых дорожек, обеспечивающих создание сигналов 0 и 1 в двоичной системе исчисления или сигналы в двоично-десятичных кодах, циклических и др., а также коды с избыточностью (корректирующие коды), позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки. Кодовый метод является абсолютным, при котором каждому направлению однозначно соответствует определенный кодированный выходной сигнал. Для считывания информации с кодовых дисков обычно используют фотоэлектрический способ, при котором диск просвечивают световым пучком, поступающим на фотоприемное устройство, и в результате на выходе получают комбинации электрических сигналов, соответствующих определенным значениям направлений. Затем электрические сигналы поступают в логические схемы, и в итоге измеряемая величина в цифровом виде воспроизводится на табло.

В инкрементальном методе используют штриховой растр (систему радиальных штрихов), который через одинаковые интервалы (до 100 штрихов на 1мм) наносят на внешний край лимба или алидады. Штрихи и равные им по толщине интервалы создают последовательность элементов «да-нет», которые называют инкрементами. Считывание выполняют также оптическим методом, числу прошедших инкрементов соответствует число световых импульсов, поступивших на светоприемник. Для учета направления вращения круга используют два фотоприемника, воспринимающих импульсные сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, что достигается соответствующим размещением фотоприемников относительно растра или использованием двух одинаковых растров, сдвинутых относительно друг друга на 1/4 инкремента.

Инкрементальный метод является относительным, которым измеряют углы, а кодовым, который является абсолютным, – направления. Для повышения точности применяют системы, содержащие несколько расположенных определенным образом относительно круга пар фотодиодов, сигналы от которых сдвинуты по фазе, совместная обработка сигналов дает высокое угловое разрешение.

Микропроцессорыв электронных тахеометрах используют для управления, контроля и вычислений. На табло по команде с пульта управления процессора могут выдаваться наклонные расстояния, горизонтальные проложениния, горизонтальные и вертикальные углы, превышения и др. В электронных тахеометрах последних моделей имеются микроЭВМ с памятью и устройством ввода и вывода данных, с регистрацией информации в запоминающем устройстве и ее выводом на внешний накопитель.

Имеется возможность в соответствии с заложенными программами в полевых условиях решать различные геодезические задачи, результаты могут выдаваться на табло, записываться в память или могут быть переданы на подключенный к прибору внешний накопитель информации.

Внешний полевой накопитель («электронный полевой журнал») хранит полученную в поле информацию для последующей обработки в камеральном вычислительном центре. Следовательно, современные электронные тахеометры позволяют создавать комплексную систему автоматизированного картографирования, состоящую из электронного тахеометра, полевого накопителя информации, стационарной ЭВМ и графопостроителя.

Электронная тахеометрия позволяет решать следующие задачи:

1. Сгущение геодезической сети методом полигонометрии;

2. Измерение сторон в трилатерации;

3. Создание планово-высотного обоснования;

4. Привязка снимков;

5. Топографическая крупномасштабная съемка местности;

6. Геодезические работы при инженерно-геодезических изысканиях;

7. Геодезическое обеспечение монтажных работ при строительстве зданий и инженерных сооружений;

8. Геодезические работы на строительных площадках и многие другие задачи геодезии, земельного и городского кадастра [6, C.48].

Электронный теодолит, на рисунке 4 изображены основные плоскости и оси теодолита. ГГ, ВВ – следы плоскостей горизонтального и вертикального кругов; LL, ll, l'l'– ось цилиндрического накладного уровня, цилиндрического уровня при алидаде горизонтального и вертикального кругов; vv, hh, рр – вертикальная ось теодолита, ось вращения зрительной трубы и оси вращения подъемных винтов соответственно; zz – визирная ось, проходит через перекрестие сетки нитей и оптический центр объектива.

Рис. 4 – Геометрическая схема высокоточного теодолита

 

Плоскость горизонтального круга и ось вращения трубы должны быть перпендикулярны к вертикальной оси теодолита. Визирная ось трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения трубы. Ось вращения алидады и ось вращения горизонтального круга должны проходить через центр кольца делений лимба. При угловых измерениях вертикальная ось теодолита должна совпадать с отвесной линией в точке его стояния. Нарушения геометрической схемы теодолита приводят к ошибкам в отсчетах и в итоге – к ошибкам в конечных результатах угловых измерений.

В теодолите должны быть согласованы точность изготовления осевой системы, точность нанесения делений, точность визирования, точность изготовления и компоновки узлов отсчетного устройства, точность изготовления цилиндрических уровней, компенсаторов.

Горизонтальный и вертикальный круги являются главными частями теодолита – угломерного прибора, при помощи которого измеряют горизонтальные и вертикальные углы.

На рисунке 5 приведена схема теодолита.

Рис.5 – Схема теодолита: 1 – стеклянный горизонтальный круг;
2 – стеклянный вертикальный круг; 3 – алидада; 4 – зрительная труба; 5 – колонка; 6 – цилиндрический уровень; 7 – окулярная часть отсчетного микроскопа; 8 – подъемный винт; 9 – подставка; 10 – головка штатива; 11 – закрепительный винт.

В настоящее время горизонтальный и вертикальный круги (лимбы) изготавливают из стекла, на скошенных краях лимбов нанесены деления от 0 до З60°, интервал между делениями обычно равен 5,10, 20, 30' или 1° и называйся ценой деления лимба. Над лимбом помещают вращающуюся вокруг вертикальной оси верхнюю часть теодолита, состоящую из алидады 3 и зрительной трубы 4 (рисунок 5).

При вращении зрительной трубы вокруг горизонтальной оси HH₁ установленной на подставке (колонке) 5, образуется вертикальная плоскость, которую называют коллимационной. Оси вращения zz₁ алидады и лимба, называемые вертикальной осью прибора, должны совпадать. Для фиксирования отсчета по лимбу на алидаде имеется индекс. Для повышения точности отсчета используют специальные отсчетные устройства. Угломерные круги закрывают металлическими кожухами.

Вертикальную ось zz₁ теодолита приводят в отвесное положение, а плоскость лимба – в горизонтальное положение по цилиндрическому уровню 6 с помощью подъемных винтов 8.

Зрительная труба жестко скреплена с лимбом вертикального круга и вращается вокруг горизонтальной оси HH ₁ ее поворот на 180° называют переводом трубы через зенит, при этом вертикальный круг, если смотреть от окуляра, относительно зрительной трубы может располагаться справа (круг право П) или слева (круг лево Л).

Вращающиеся части теодолита имеют закрепительные и наводящие винты, закрепительными винтами фиксируют соответствующую часть в неподвижном положении, а наводящие – плавно вращают при точном наведении перекрестия нитей на визирную цель.

В комплект теодолита входят штатив, буссоль и другие принадлежности. На штатив (тренога с металлической платформой) устанавливают теодолит, который крепят к платформе треноги с помощью станового винта 11. Центрирование, то есть установку центра лимба на одной отвесной линии с вершиной измеряемого угла, выполняют с помощью отвеса металлического (нить с закрепленным на одном ее конце грузом, второй конец нити закрепляют на вертикальной оси теодолита) или оптического, оптическая ось которого совпадает с вертикальной осью теодолита. Буссоль используют для ориентировки нулевого диаметра лимба по магнитному меридиану.

Электронный теодолит, в новых высокоточных теодолитах, выпуск которых начат несколько лет назад, используется система отсчета с оптико-электронным сканированием, позволяющая автоматизировать процесс угловых измерений и повысить приборную точность.

Зрительные трубы в таких теодолитах имеют прямое изображение. Имеются как мининмум два режима работы:

- простой – для высокоточных угловых измерений,

- следящий – для наблюдения за подвижной целью.

Точность отсчета по кругам – 1, или 0,1"– по усмотрению наблюдателя. Отсчеты выражаются в градусах или гонах (1/400 части окружности).

Электронный теодолит имеет дисплейную панель управления и регистратор. Клавишами задают режим работы теодолита, на экран дисплея выводятся значения измеренных углов. Регистратор хранит записанную информацию, ведет математическую обработку результатов измерений согласно заданной программе. К регистратору можно подключить компьютер.

Лазерный теодолит, в этом теодолите визирная ось воспроизводится узконаправленным пучком света. Лазерные теодолиты целесообразно использовать для разбивочных работ при строительстве дорог, мостов, зданий, сооружений и т. п. В отечественных лазерных теодолитах ЛТ–75 (для больших расстояний), ЛТ–56 (для разбивочных работ на стройплощадках), созданных на базе лазеров ЛГ–75, ЛГ–56, излучатель перекладывается в лагерах.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом выпускают лазерные насадки к теодолитам, при этом ось светового пучка должна совпадать с визирной осью зрительной трубы. Достигается это с помощью призм, направляющих пучок лазерного излучения в окуляр трубы.

 

 

Рис. 6 – Лазерный теодолит

 

В лазерном теодолите, лазер 1 смонтирован на теодолите 2, при этом луч лазера выходит параллельно визирной оси. Лазерные теодолиты выпускают фирмы Великобритании, Бельгии, Франции, Польши и других стран.

 

Рис. 7 – Гидроскопический теодолит

 

Гироскопический теодолит (гиротеодолит), используют для определения истинных азимутов направлений, в нем угломерный прибор соединен с датчиком направления меридианов. В качестве датчика обычно используют маятниковый гироскоп, который также называют гирокомпасом, указателем меридиана, гиробуссолью. Внутри гирокамеры 4 на тонкой металлической ленточке-торсионе 8 подвешен чувствительный элемент 5 гироскопа. Гироскоп – трехфазный асинхронный двигатель, питается током по двум ленточным токопроводам 2 и торсионам.

Чувствительный элемент 5 помещен в корпус гидроблока 7, который скреплен с алидадой угломерной части. При транспортировке прибора чувствительный элемент и корпус гидроблока скреплен арретиром 6. При измерении наблюдают в окуляр автоколлиматора 1 на алидаде изображение штрихов его шкалы. Синхронно с движением по азимуту чувствительного элемента с помощью редуктора 3 поворачивается корпус гироблока, концы токопроводов и верхний зажим ленты, при этом исключается закручивани при движении чувствительного элемента.

Для проектирования на горизонтальный круг 10 точек реверсии колебаний чувствительного элемента и пользуют систему, состоящую из автоколлиматора 1 на алидаде и зеркала 1 укрепленного на штанге 9 чувствительного элемента.

В противоположных точках реверсии движение чувствительного элемента прекращается, в момент остановки производят отсчеты по горизонтальному кругу через дополнительный окуляр, по отсчетам определяют значение N, соответствующее положению динамического равновесия чувств тельного элемента, при котором главная ось гироскопа совпадает с плоскостью истинного меридиана. После этого перекрестие нитей зрительной трубы наводят на визирную цель, азимут А направления на которую определяют.

Лазерный нивелир (построитель плоскостей), геодезический прибор предназначенный для определения превышений и передачи высотных отметок, область применения у таких приборов достаточно широка, это работы при строительстве и реконструкции сооружений как внутри так и снаружи здания, работы по прокладке подземных комуникаций, монтаже технологического оборудования.

Работа с лазерным нивелиром достаточно проста, тем более, что большинство современных приборов снабжены автоматически горизонтирующимся пучком излучения, многие приборы снабжены вращающимся лазерным пучком, способным строить горизонтальные, а некоторые модели и вертикальные плоскости. Для производства работы необходимо установить прибор в рабочее положений (установить на подставку/штатив) и взять отсчет по видимому лазерному лучу с помощью специальной или нивелирной рейки, а иногда и по обычной рулетке. Дальность работы лазера обычно находится в пределах 20 – 30 м., при наличии приемника излучения до 100 м. и более.

Основными характеристиками лазерного нивелира является: - точность измерения превышений, дальность работы лазера, количесвто лазерных лучей, вес прибора, наличие автоматического компенсатора, уровень влагопылезащиты [11, C.248].

Также существуют ещё и следующие типы приборов:

1. Лазерный нивелир, выравнивающийся вручную и контролирующийся посредством пузырьковых уровней, расположенных в компенсаторе. Прибор позволяет выполнять разметку под любым углом, а не только по горизонтали и вертикали;

2. Вертикальным полуавтоматическим лазерным нивелиром стоит пользоваться, если в работе периодически требуется выравнивание по вертикали. В конструкции для этой цели предусмотрен пузырьковый уровень или сигнальный датчик.

3. Многофункциональные самовыравнивающиеся автоматические нивелиры обладают широким спектром возможностей для выравнивания по всем направлениям.

4. Ротационные лазерные нивелиры образуют видимую горизонтальную, наклонную и вертикальную плоскость с помощью высокочастотного вращения луча лазера. Такой нивелир необходимо устанавливать при помощи пузырьковых уровней.

Лазерные сканирующие системы. в большинстве конструкций сканеров используется импульсный лазерный дальномер. На пути к объекту импульсы лазерного излучения проходят через систему зеркал, которые осуществляют пошаговое отклонение лазерного луча. Наиболее распространенной является конструкция, состоящая из двух подвижных зеркал. Одно из них отвечает за вертикальное смещение луча, другое – за горизонтальное. Зеркала сканера управляются прецизионными сервомоторами, в конечном итоге, они и обеспечивают точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркал в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет координаты каждой точки.

Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера со специальными программами. Полученные значения координат точек из сканера передаются в компьютер по интерфейсному кабелю и накапливаются в специальной базе данных. Следует отметить, что объемы данных, полученные со сканера, могут достигать сотен мегабайт, а порой и гигабайт.

Сканер имеет определенную область обзора или, другими словами, поле зрения. Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разряженного сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования прибора. Сканирование может производиться как сразу всего поля зрения, так и лишь какой-то его части. Поэтому фотоизображение может быть использовано для выделения из общей картины нужных локальных областей [5, C.98].