Лекции по дисциплине Геодезия (стр. 1 )

ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ГЕОДЕЗИЯ

(2-ой курс третий семестр)

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ:

1 Задачи геодезии в научном и производственном аспектах.

2 Понятие процесса нивелирования.

3 Исходная уровенная поверхность.

ВВЕДЕНИЕ

1 Задачи геодезии в научном и производственном аспектах

Геодезия, как и астрономия – древнейшие науки. Говоря кратко, - это наука об изучении и измерении земной поверхности, а также всей Земли как планеты в целом.

Слово геодезия происходит от греческих: гео – земля и дайдзо – делить на части, т. е. наука изучения земли при помощи измерений на ее поверхности.

Задачи геодезии подразделяются на научные и научно-технические. Главной научной задачей является определение формы и размеров Земли и ее внешнего гравитационного поля, т. е. поля, образованного силой тяжести Земли. Наряду с этим геодезия играет большую роль в решении задач, связанных с изучением Земли и происходящих в ней изменений:

- исследование структуры и внутреннего строения Земли;

- горизонтальных и вертикальных деформаций земной коры;

- перемещение береговых линий морей и океанов;

- определение разностей высот уровней морей;

- движение земных полюсов.

В связи с запуском искусственных спутников Земли и новых достижений в области техники наблюдений и измерений появились новые задачи:

- изучение фигуры и гравитационного поля Луны, планет.

Производственные задачи заключаются в следующем:

- определение положения отдельных точек земной поверхности в выбранной системе координат;

- составление карт и планов местности разнообразного назначения и с различной подробностью и точностью;

- выполнение измерений, необходимых для проектирования, строительства и экплуатации инженерных сооружений и т. д.

- обеспечение геодезическими данными нужд обороны страны;

Все задачи решаются на основе результатов измерений и при помощи геодезических приборов и инструментов.

Непосредственные результаты измерений не определяют искомые величины. Связь между измеренными и искомыми величинами устанавливается на основе математических зависимостей. Разработка методов математической обработки измерений, в результате которой определяются искомые величины, является также задачей геодезии.

Геодезия подразделяется на ряд дисциплин.

1) Высшая геодезия. Основные задачи этой дисциплины следующие:

- изучение фигуры Земли и планет солнечной системы и их гравитационных полей (свойства тел притягивать друг друга силами, зависящими от их масс – закон Ньютона);

- определение точных координат отдельных точек земной поверхности в единой системе (в совокупности они образуют ГГС).

2) Геодезия, дисциплина, изучающая в деталях земную поверхность и отображение ее на картах и планах.

Топография занимается изучением твердой оболочки Земли – суши; изучение ее жидкой оболочки – океанов, морей, их берегов и дна – составляет предмет гидрографии.

В состав работ, рассматриваемых в топографии, входят сгущение государственной геодезической сети и топографические съемки.

3) Инженерная геодезия рассматривает методы геодезических работ, выпоолняемые:

- при изыскании, проектировании, строительстве и эксплуатации разнообразных инженерных сооружений (промышленных, сльскохозяйственных, транспортных, гидротехнических, городских и подземных);

- при монтаже и установке монтажного оборудования;

- с целью разведки, использования и экплуатации природных богатств.

4) Картография рассматривает методы составления, издания разнообразных карт.

Выдающийся ученый писал, что топографические карты и планы служат необходимым условием для последующего успешного осуществления работ геолога, разведчика, гидрогеолога, географа, агронома, почвоведа, лесоведа, инженера-проектировщика, инженера-строителя и т. д. Все эти специалисты без карты – все равно, что плотник без топора или кузнец без молота.

Геодезия – одна из древнейших наук. За 6 веков до нашей эры в долине реки Нила существовали оросительные системы и каналы.

В ΙΙΙ веке до нашей эры был определен радиус Земли (как шара). Высокий уровень знаний в Риме и Греции способствовали созданию таких геодезических приборов как астролябии Гиппарха (ΙΙ в. до н. э.) и нивелира, основанного на принципе сообщающихся сосудов (Ι в. до н. э.), описанного в знаменитом труде Герна Александрийского «О диоптре (приспособление для наведения на цель)». Та книга служила почти 2 тысячелетия пособием по практике землемерного дела. В России первые инструменты появились в Х – ХΙΙ веках.

Выдающийся хорезмский ученый Бируни в трактате «Ключ к астрономии» описал метод определения длины окружности Земли, создал труд о топографии Средней Азии, сконструировал первую делительную машину для деления лимбов через 5'.

Обсерватория всемирно известного астронома Улугбека (ХΙV – XV вв.) была оборудована непревзойденными по точности универсальными приборами, заменяющими астролябию и квадраит (плоский сектор с центр. углом 90˚).

А далее:

1550 г – немец. профессор Преториус изобрел мензулу;

1606 г – голландский мастер Липперсгей получил привилегию от правильства на открытие зрительной трубы.

Как это было: 1606 г. Испания завоевала пол Европы. На море ей не было равных. Голландия была союзницей Испании и хотела отделиться от нее. И вдруг Голландия совершает победу за победой. А причина в том, что дети некоего шлифовальщика стекол в Голландии играли во дворе и вдруг младший заплакал. «В чем дело?»; мальчик ответил: «Петух на крыше дома очень большой». Дети рассказали отцу. Здесь Ганс Липперсгей удостоверился о большом открытии. Была изобретена подзорная труба, в которую голландцы следили за флотом Испании. Весть о перспективной трубе облетела весь мир.

1609г. Галлилей (итальянский астроном) узнал о трубе и открыл зрительную трубу с увеличением . Это открытие стало достоянием всего мира.

1611г. Кеплер – немец. астроном предложил 2 варианта зрительной трубы с прямым и обратным изображением и установил сетку нитей.

Работы по составленю карт получили большое развитие при Петре Ι (). После отечественной войны 1812г. выявившей плохое обеспечение России картами, последовала организация топографических съемок, предназначенных для военных целей.

После октябрьской революции в марте 1919 г. был издан декрет Лениным об организации Высшего геодезического управления. На территории России развита ГГС высокой точности. На огромной территории выполнены съемочные работы в различных масштабах.

Запуск иск. спутников открыл новую эру в развитии геодезии и поставил геодезию на еще более высокий уровень в решении ее научных и практических задач.

2 Понятие процесса нивелирования

Нивелированием называется совокупность измерений на местности, в результате которых определяют превышения между точками местности с последующим вычислением их высот относительно принятой исходной поверхности.

3 Исходная уровенная поверхность

В России за исходную поверхность принята средняя уровенная поверхность Балтийского моря, то есть абсолютные высоты точек земной поверхности, а также орбиты космических аппаратов определяются в Балтийской системе высот, от нуля Кронштадского футштока. Футшток – это медная доска с горизонтальной чертой, замурованная в гранитный устой Синего моста через Обводной канал в Кронштадте, изображенного на рисунке 1.

Рисунок 1 – Синий мост через Обводной канал

Кронштадтский футшток – один из старейших в глобальной сети уровенных постов Мирового океана.

Футшточная служба действует в Кронштадте с 1707 года. С 1898 года работает автоматический самопишущий прибор – мареограф, изображённый на рисунке 2 и фиксирующий изменения уровня воды относительно нуля футштока.

Рисунок 2 – Самопишущий прибор – мареограф

Для контроля положение нуля футштока используют специальные реперы на твердой поверхности суши. Основной репер Кронштадтского футштока – горизонтальная высечка буквы «П» в слове «Польза» на памятнике , изображенному на рисунке 3.

Превышение репера над нулем футштока по замерам в течение десятилетий, подтвердили устойчивость репера с 1840 года.

От нуля Кронштатдского футштока на всей территории России производятся измерения глубин и высот. Географические карты создаются в Балтийской системе высот. Даже космические орбиты ведут отсчёт от небольшой черты медной таблички, прикреплённой к устою Синего моста через обводной канал в Кронштадте. А в 1977 году в СССР была принята Балтийская система высот - система абсолютных высот, отсчёт которых ведётся от нуля Кронштадтского футштока.

Рисунок 3 – Памятник

Лекция 2

Главная высотная геодезическая основа :

1 Назначение главной высотной геодезической основы.

2 Виды нивелирования.

2.1 Назначение главной высотной геодезической основы.

Виды нивелирования

Государственная нивелирная сеть страны предназначена:

- для распространения единой системы высот на территорию всего государства;

- для создания высотной основы топографических съемок всех масштабов;

- для выполнения инженерно-геодезических работ.

Государственная нивелирная сеть делится на нивелирные сети I, II, III и IV классов.

Нивелирные сети I и II классов являются главной высотной основой страны. Их используют для решения научных задач и поддержание высотной сети на современном уровне.

Ходы нивелирования Ι класса образуют полигоны периметром 2000 км, прокладываемые по особо выбранным линиям вдоль шоссейных и железных дорог, берегов морей и рек, а также по другим трассам, важным в том или ином отношении. Нивелирование I класса повторяют не реже. чем через 25 лет, а в отдельных районах значительно чаще, чтобы получить данные о возможных вертикальных движениях земной коры.

Нивелирная сеть ΙΙ класса состоит из ходов, опирающихся на реперы Ι класса, образующих полигоны с периметром равным 400 км или развивается в виде самостоятельных замкнутых полигонов.

Нивелирные сети III и IV классов развиваются внутри полигонов высшего класса в виде отдельных ходов, либо систем ходов с узловыми точками и служат для дальнейшего сгущения пунктов нивелирной сети. При этом линии и сети должны опираться не менее чем на два репера высшего класса. Для долговременной сохранности нивелирные пункты, выбираемые через каждые 5-7 км, закрепляются на местности реперами или марками нивелирными, закладываемыми в грунт, стены каменных зданий, устои мостов и т. д.

Характеристики точности и размеры полигонов нивелирных сетей и ходов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики точности и размеры полигонов

* периметры нивелирных полигонов I кл. в городах устанавливают в зависимости от очертаний городской территории;

При создании высотного обоснования крупномасштабных топографических съемок нивелирные сети III и IV прокладываются с расчетом обеспечения требуемой точности съемочного обоснования.

2 Виды нивелирования

- геометрическое нивелирование;

- техническое нивелирование.

-

Лекция 3

Геодезические измерения на местности:

1 Сущность и способы геометрического нивелирования.

2 Нивелирование III и IV классов.

3 Требования, предъявляемые к нивелирным ходам и сетям.

4 Организация и производство работ, точность нивелирования.

Нивелирование III класса

Нивелирные ходы III класса прокладываются в прямом и обратном направлениях. Нормальная длина луча визирования 75 м. При отсутствии колебаний изображения реек и увеличении зрительной трубы не менее длину луча разрешается увеличить до 100 м.

Высота визирного луча над подстилающей поверхностью должна быть не менее 0.3 м.

Нивелирование выполняется способом «из середины». Неравенство плеч на станциях должно быть не более 2 м., а накопление их по секции – не более 5 м. Расстояние от нивелира до реек измеряется тросом или дальномером.

Нивелирование на станции выполняется в следующем порядке. Нивелир приводится в рабочее положение с помощью установочного уровня. Зрительная труба наводится на черную сторону задней рейки. После приведения пузырька цилиндрического уровня в ноль-пункт элевационным винтом, берутся отсчеты по средней и дальномерным нитям. Затем труба наводится на черную сторону передней рейки и берутся отсчеты по средней и дальномерным нитям. После этого рейки поворачиваются красной стороной и производятся отсчеты по передней, а потом по задней рейке, но только по средним нитям.

При работе нивелиром с компенсатором отсчеты по рейкам берутся после приведения нивелира в рабочее положение по круглому уровню.

Такая симметричная программа работ на станции позволяет исключить из результатов измерений ряд систематических ошибок.

При нивелировании III класса должны соблюдаться следующие контрольные допуски:

а) расхождение значений превышений на станции, полученных по чёрной и красной сторонам реек, не должно быть более 3 мм;

б) отсчет по средней нити по черной стороне каждой рейки не должен расходиться более чем на 3 мм с соответствующей полусуммой отсчетов по дальномерным нитям;

в) расхождение значений превышений в каждой секции из прямого и обратного ходов не должно превышать допуска . Здесь - длина секции в км.

При расхождениях, превышающих указанные допуски, наблюдения на станции повторяются, предварительно изменяя положение нивелира по высоте не менее чем на 3 см.

1.4 Нивелирование IV класса

Нивелирование IV класса выполняется в одном направлении. Нормальная длина визирного луча 100 м. При спокойных изображениях реек и увеличении зрительной трубы не менее длину луча разрешается увеличивать до 150 м.

Высота визирного луча над подстилающей поверхностью должна быть не менее 0.2 м. Нивелирование выполняется способом «из середины». Неравенство расстояний от нивелира до реек на станции допускается не более 5 м, а накопление их по секции – до 10 м. Расстояния от нивелира до реек измеряются шагами или дальномером.

Работа на станции начинается с установки нивелира в рабочее положение с помощью установочного уровня. Порядок работы на станции следующий. Зрительная труба наводится на черную сторону задней рейки. После приведения пузырька цилиндрического уровня в ноль-пункт делаются отсчеты по средней и верхней дальномерным нитям. Затем труба наводится на черную сторону передней рейки и производятся отсчеты по средней и по верхней дальномерным нитям. Далее рейки поворачиваются красными сторонами и берутся отсчеты по средней нити сначала по передней, а затем по задней рейке.

Расхождение значений превышений на станции, полученных по черным и красным сторонам реек, не должно быть более 5 мм с учетом разности высот нулей пары реек.

Лекция 4

Геодезические измерения на местности:

1 Приборы для нивелирования III и IV классов.

2 Устройство и классификация нивелиров и реек по ГОСТ.

3 Технические характеристики нивелиров.

1 Приборы для нивелирования III и IV класса

Для нивелирных работ применяют нивелиры, выпускаемые по ГОСТ 10528, а так же равноценные им по точности отечественные и импортные приборы, утверждённые и внесённые в Гостреестр средств измерений.

Основные требования к современным нивелирам можно отнести такие как точность, надёжность и компактность. Производители стараются максимально защитить приборы от внешних факторов воздействия: пыли, влаги. Большинство нивелиров маркируются с использованием международного стандарта IEC. IP (International Protection) где, первая цифра (от 0 до 6) указывает степень защиты от проникновения твёрдых предметов. Вторая цифра от (0 до 8) обнозначает степень защиты от проникновения воды.

В нашей стране разработка и выпуск нивелиров определяются ГОСТом . Нивелиры классифицируются по точности на высокоточные, точные и технические, по типу отсчётного приспособления – с оптическим микрометром и без него, по способу приведения визирной линии в горизонтальное положение – на нивелиры с уровнем и с компенсатором, по способу отсчитывания по рейке – визуальным (традиционным) и с цифровым отсчётом, по конструкции зрительной трубы – с прямым изображением и с обратным изображением визирных целей.

Нивелирование III и IV класса выполняется глухими нивелирами с цилиндрическим уровнем или с компенсатором, удовлетворяющими требованиям, приведенным в таблице 2.

Таблица 2 – Технические характеристики нивелиров

В зависимости от устройства, применяемого для приведения визирной оси в горизонтальное положение, нивелиры всех типов выпускаются в двух вариантах:

- с уровнем при зрительной трубе (уровенные);

- с компенсатором углов наклона (компенсационные), автоматически устанавливающим линию визирования в горизонтальное положение.

Достоинством нивелиров с компенсаторами является то, что при взятии отсчетов по рейкам отпадает необходимость приведения пузырька цилиндрического уровня в ноль-пункт.

Практически во всех современных нивелирах для удержания горизонтальной визирной оси применяют автоматические компенсаторы. Исключениями являются нивелиры 3Н5Л производства УОМЗ (») и НИ-3, изготавливаемый в Украине.

Наличие компенсатора обеспечивает более высокую точность, а также позволяет ускорить процесс измерений. Для гашения колебаний компенсатора и установки его в рабочее положение используют системы демпфирования.

Большинство нивелиров самых распространённых марок снабжены магнитными демпферами, реже используются воздушные демпферы.

Многие современные нивелиры имеют газонаполненные зрительные трубы с большим увеличением.

Любой нивелир в обязательном порядке оборудуется круглым уровнем и наводящими винтами.

Основная характеристика любого нивелира – точность измерения превышения.

Она определяется как средняя квадратическая ошибка на 1 км двойного нивелирного хода (прямо и обратно). Существует градация нивелирования по классам точности:

- высокоточные нивелиры (точность 0,3 – 0,5 мм);

- точные нивелиры (0,7 – 1,5 мм);

- нивелиры технические (2,0 – 2,5 мм).

Нивелиры подразделяются на оптические, электронные (цифровые) и лазерные.

В нашей стране производством оптических нивелиров занимается УОМЗ, выпуская высокоточные нивелиры – Н-05, точные – НЗ (Н-ЗК, Н-ЗКЛ) и технические Н-10 (Н10К и Н-10КЛ). В названии Н – нивелир, цифры 05, 3 и 10 – ср. кв. ошибки превышения на 1 км двойного нивелирного хода, К – компенсатор, Л – лимб.

Среди зарубежных производителей на отечественном рынке распространены инструменты: Sokkia, Topcon, Nikon, Spectra Precision (Япония), Leica, Geosystems ( Швейцария ), Trimble ( США ), Setl ( Китай ).

Нивелир Н-05 высокоточный с оптическим микроскопом, цилиндрическим контактным уровнем и элевационным винтом. Для точного наведения на штрих рейки сетка нитей в правой половине поля зрения имеет 2 нити (клиновый биссектор). Угол юстируется защитным стеклом, установленным перед объективом в виде клина. Нивелир Н-05 используется для нивелирования I, II и III классов.

Нивелир Н-3 используется для нивелирования III и IV классов, а также для инженерно-геодезических работ при изысканиях и в строительстве, так как относится к точным нивелирам. Увеличение зрительной трубы у него составляет 30х. Он является глухим нивелиром с элевационным винтом и контактным уровнем. Изображения концов цилиндрического уровня передаются в поле зрения трубы. Наименьшее расстояние визирования -1м, цена деления уровней: круглого - 10', контактного цилиндрического - 15". Юстировка угла выполняется исправительными винтами цилиндрического уровня.

Нивелир 2Н-3Л начал выпускаться с 1990 г. Имеет зрительную трубу с прямым изображением, лимб с точностью отсчитывания 0,1°, юстировка угла i выполняется так же как и в нивелире Н-З.

Нивелир Н-ЗК используется для нивелирования III и IV классов.

Имеет призменный компенсатор. Угол i юстируется винтами сетки нитей.

ЗН5Л - технический нивелир с цилиндрическим уровнем при трубе и горизонтальным лимбом.
ЗНЗКЛ - технический автоматический нивелир с горизонтальным лимбом.
ЗН2КЛ - точный автоматический нивелир с горизонтальным лимбом.
Точное нивелирование горизонтальным визирным лучом, устанавливающимся автоматически благодаря встроенному компенсатору.
Технические характеристики 3Н2КЛ:

- cредняя квадратичная погрешность - 2 мм на 1 км двойного хода;

- то же, с насадкой - 1 мм на 1 км двойного хода;

- увеличение зрительной трубы – 30х ;

-наименьшее расстояние визирования - 0,8м;

-диапазон работы компенсатора - ±15';

-погрешность компенсатора - ±0,3";

-цена деления установочного уровня - 10' .

Нивелир Ni-007 с компенсатором. Выпускался в ГДР. Используется для нивелирования II, III и IV классов. Юстировка угла выполняется винтами сетки нитей.

Нивелир Ni-030 выпускается в Германии. Его конструкция однотипна с Н-З.

Благодаря наличию электронного датчика в цифровых нивелирах точно регистрируется отсчет по специальной рейке со штриховым кодом, который затем обрабатывается встроенной ЭВМ и заносится во внутреннее запоминающее устройство, где и хранится. В таких приборах для приведения визирной оси в отвесное положение используется компенсатор.

Цифровые нивелиры Trimble Dini (10, 20, 10T, 11T) выпускаются в Германии фирмой Carl Zeiss. На сегодняшний день цифровые нивелиры серий Trimble DiNi© 12, DiNi© 22, DiNi© 12T являются лучшими представителяли в своем классе.

Нивелиры серии DiNi обладают рядом технических новшеств:

- улучшенная система автоматического считывания по рейке со специальным штрих-кодом;

- точное измерение расстояний;

- оптико–электронный лимб горизонтального круга (DiNi 12T);

- карта памяти для хранения данных;

- бесконечный винт тонкой наводки;

- компенсатор.

По сравнению с оптическими нивелирами, нивелиры Trimble DiNi имеют значительно большую точность. Нивелиры Trimble DiNi могут быть использованы как для работ на строительной площадке, так и при высокоточных работах, например, слежении за деформацией объектов.

Простой технологический процесс и удобный интерфейс меню, позволят быстро освоить работу с прибором и эффективно его использовать. Работая с нивелирами DiNi, можно сэкономить до 50 процентов временных и материальных затрат, благодаря тому, что использование цифровых нивелиров DiNi исключает личные ошибки человека (ошибки при считывании, ошибки записи, ошибки расчетов); все измерения и вычисления производятся автоматически и быстро.

Программное обеспечение нивелиров серии Trimble DiNi имеет различные функции измерений: передача высот, разбивочные работы, нивелирование пикетов, контроль при проложении нивелирных ходов, тахеометрическая съемка (для DiNi 12T). Цифровые нивелиры (в зависимости от модели) для сохранения данных используют карту памяти PCMCIA или внутреннюю память, а для обмена данными с компьютером – RS232С порт. Для уравнивания отдельных ходов и нивелирных сетей данные могут быть загружены в специальное программного обеспечение: Trimble Geomatics Office, CREDO, что позволяет забыть о проблемах передачи данных и их преобразовании в разные форматы. Также прибор может быть укомплектован программным пакетом Terramodel Field Data, который позволяет производить импорт и экспорт данных, делать вычисления, строить поверхности и планы, проектировать дороги, вычислять объемы и создавать модели местности в виде цифрового видео-фильма для работ по ландшафтному проектированию.

Нивелиры серии DiNi представляют собой систему совмещения классического и цифрового нивелиров. Пригодны для нивелирования I, II, III и IV классов. Буква Т в обозначении нивелира означает наличие цифрового лимба. Такие нивелиры обладают возможностью определять координаты точек, на которых установлены штрих кодовые рейки.

Технические характеристикитехнические характеристики некоторых моделей нивелира приведены в таблице 3.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7