Материал: Високоточне нівелювання

одноразового вимірювання віддалі має значення від двох до шести міліметрів в залежності від відстаней і цілі візування (на відбиваючу плівку або призматичний відбивач). При тригонометричному нівелюванні, як правило, всі виміри, а саме:

висоти інструменту; висоти візування (цілі); вертикальні кути; довжини сторін

вимірюються двічі (в прямому і зворотному напрямку) і при крузі правоворуч і ліворуч. Фактичні невязки повинні бути відповідно в межах допустимих (fдоп), які

обчислюються за формулою:

fдоп 0,04S ср n ,

де

Scp S , n

де S – довжини визначені в метрах, n – кількість виміряних сторін.

Тригонометричне нівелювання є менш точним, ніж геометричне, але широко застосовується при топографічних зніманнях місцевості і при вирішенні різних інженерних задач, оскільки дозволяє швидко визначити перевищення довільних точок на значній відстані. Проблемними моментами при виконанні вимірювань, крім впливу рефракції, є відсутність відомостей щодо відхилень прямовисної лінії на пунктах опорних мереж, де вимірюються зенітні відстані.

Фізичні види нівелювання включають барометричне, гідростатичне, радіота звукове нівелювання.

Барометричне нівелювання грунтується на відомому твердженні про те, що із зміною висот точок земної поверхні змінюється атмосферний тиск. Різницю висот між двома точками визначають за результатами вимірювання в них атмосферного тиску, температури й вологості повітря. Використовується при розвідках і будівництві лінійних споруд, а також у випадках прискорених методів знімань.

Тиск – це вага стовпчика повітря, яка припадає на одиницю площі. Відомо, що зі зміною тиску на 1 мм ртутного стовпчика висота змінюється приблизно на 11 метрів. Цю величину називають баричним ступенем висот.

Головна перевага барометричного нівелювання перед іншими методами нівелювання полягає в тому, що для його виконання не вимагається взаємної видимості точок. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що існує реальна можливість застосування методу барометричного нівелювання там, де перевищення достатньо знати із похибкою 0,3-0,5 м.

Гідростатичне нівелювання грунтується на принципі сполучених посудин, в яких рідина завжди займає одинакові рівні. Використовується для точного встановлення будівельних конструкцій в проектні положення, вивірення під час монтажу технологічних ліній значної довжини, вимірювання осідання споруд та передачі позначок через водні перешкоди. Середня квадратична похибка визначення перевищень – 0,1 мм. Цей метод має високу точність, дозволяє визначати різницю висот між точками при відсутності взаємної видимості. Однак, можливість визначати перевищення є обмеженою довжиною найбільшої з трубок, які з'єднані шлангами.

GNSS-нівелювання. Висоти і перевищення в геодезії традиційно визначаються відносно поверхні квазігеоїда. Таким чином геодезичні мережі, побудовані таким чином, поділяються на планові та висотні, не мають зв'язку між собою.

В основі супутникових вимірювань лежить геометричний принцип виконання вимірювань, коли вимірюються віддалі, які вважаються інваріантними величинами та пов'язані з просторовими прямокутними координатами відносно центру мас Землі, і які не мають зв'язку з квазігеоїдом.

Для успішної реалізації результатів супутникових вимірювань і отримання неспотворених координат пунктів державної геодезичної мережі і, особливо, для супутникового нівелювання, необхідна точна модель квазігеода. Необхідно зауважити, що

зараз нема моделі висот квазігеоїда з точністю необхідною для успішного опрацювання результатів супутникових вимірювань, а особливо, нівелювання Таким чином нормальна висота, визначена з використанням супутникових даних, суттєво поступається по точності висоті, отриманій за результатами геометричного нівелювання.

Зопрацювання супутникових спостережень отримують геодезичні висоти точок. Для того щоб за результатами вимірювань отримати нормальні висоти цих же точок, використовують співвідношення (3.6).

Механічне нівелювання виконують за допомогою нівелірівавтоматів, які монтують на велосипеді або автомашині. Спеціальний прилад самописець одночасно з рухом велосипеда чи автомашини виписує на паперовій стрічці профіль пройденого шляху. Точність механічного нівелювання приблизно є такою, як і точність тригонометричного нівелювання. Цей метод використовують при вишукуваннях лінійних споруд і для контролю положення ж/д полотна.

Cтереофотограмметричне нівелювання здійснюється за допомогою складного апаратного комплексу. Два космічних або аерофотознімки, виконаних з частковим перекриттям, завантажуються в спеціальний пристрій. Дивлячись на них через оптичну систему, ви отримуєте «3-D ефект присутності». Точність методу залежить від масштабу знімків, способу їх опрацювання, точності приладів та інших факторів.

Радіонівелювання пов'язане з відбиттям радіопроменя від поверхні, відстань до якої треба визначити. Знаючи швидкість і час проходження радіопроменів, обчислюють відстань до даної поверхні (або точки). За допомогою цього методу в колишньому СРСР у 1961 р. вперше було визначено відстань від Землі до Венери.

Різновидністю радіонівелювання є аерорадіонівелювання, що виконується за допомогою радіовисотомірів, які встановлюються на літаках.

Зусіх названих вище видів нівелювання найбільш точним і найбільш розповсюдженим

єгеометричне нівелювання: при цьому виді нівелювання перевищення визначається з точністю до міліметрів. Інші види дають змогу визначити перевищення з точністю до сантиметрів (тригонометричне нівелювання), а відстані - з точністю до метрів і десятків метрів.

3.3. Високоточне геометричне нівелювання.

У сучасній геодезичній практиці високоточне геометричне нівелювання застосовують не тільки для визначення висот точок у нівелірних мережах державного чи місцевого значення, але і в наукових дослідженнях з визначення вертикальних рухів земної кори, в багатьох галузях господарства під час будівництва інженерних споруд, монтажу технологічного обладнання і в процесі їх експлуатації. Для спостережень за осіданнями фундаментів інженерних споруд і технологічного обладнання створюють спеціальні опорні та знімальні нівелірні мережі, висоти в яких визначають із високоточного геометричного нівелювання.

Поділ на високоточне та точне геометричне нівелювання є дещо умовним і відносним. Оскільки, нівелювання в мережах І і ІІ класів відносять до високоточного, а в мережах ІІІ та ІV класів – точного. При розробці спеціальних методик спостережень за деформаціями, наприклад, такий поділ є зовсім некоректний, бо в кожному конкретному випадку встановлюється необхідна точність вимірювань, що, частково, зумовлює використання приладів, які відносяться до того чи іншого класу точності.

При розгляді способів геометричного нівелювання Землю вважали кулею, тобто за рівневі поверхні брали концентричні сфери. Насправді, через те, що Земля має складну фігуру з нерівномірним розподілом мас, рівневі поверхні загалом не є паралельні одна одній. При цьому навіть для Землі-сфероїда на полюсах рівневі поверхні зближуються, а на екваторі – розтягуються (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Розташування рівневих поверхонь

Непаралельність рівневих поверхонь зумовлює два основні наслідки:

1. Результат нівелювання залежить від шляху нівелювання між пунктами.

Припустимо, що виконується нівелювання між пунктами А і В (рис. 3.4). Пройдемо шлях від точки А до точки С, а далі – по рівневій поверхні до точки В. Другий шлях нівелювання пролягає від точки А по рівневій поверхні до точки В0, а потім – від точки В0 до точки В.

Очевидно, що при русі першим шляхом отримаємо перевищення точки В, що дорівнює АС, а в другому випадку – перевищення, рівним В0В, оскільки рух по рівневій поверхні не змінює висоти точки. З рис. 3.4 видно, що у випадку непаралельних рівневих поверхнях АС ≠ В0В. Далі, при нівелюванні на фізичній поверхні, що практично і робиться, отримаємо третій результат. Очевидно, що в результат нівелювання необхідно вводити поправку за непаралельність рівневих поверхонь.

Рис. 3.4. Ілюстрація впливу непаралельності рівневих поверхонь на результат нівелювання

2. Висоти точок розташовані на одній рівневій поверхні, загалом, не є рівними. Це пов'язано з нерівномірним розподілом мас всередині Землі, що зумовлює викривлення ліній сили тяжіння, вискових ліній, кривина яких стає, так би мовити, двоякою, а рівневі поверхні стають складними за формою. Хоча зміна рівневих поверхонь і залишається плавним, а вони самі залишаються випуклими. У зв'язку з цим висота рівня води по межі водойми буде змінюватися. Наприклад, для озера Севан на віддалі більше 60 км між північною і південною його частинами різниця висот рівнів води становить приблизно 90 мм.

Врахування відхилення ліній сили тяжіння досить складний, але є необхідним для обчислення поправок у перевищення за непаралельність рівневих поверхонь, зумовленою нерівномірним розподілом мас в тілі Землі. Вказані поправки є набагато меншими, у першому випадку, однак в деяких випадках все таки можуть бути досить суттєвими. Наприклад, для високих гір (Еверест) перша поправка є рівною 20 м, а друга – 2 м.

Нівелювння І та ІІ класу виконується згідно правил прописаних у відповідних інструкціях.

Крім того, при виконанні високоточного нівелювання необхідно також виконувати певні гравіметричні вимірювання.

Гравіметрія вивчає гравітаційне поле Землі на основі вимірів сили ваги.

Висоти реперів в нівелірних мережах України поки що обчислюють відносно рівня Балтійського моря (від 0 Кронштатського фундштоку) в системі нормальних висот. Виміряні перевищення між точками кутів нівелювання І та ІІ класу, а в гірських районах і ІІІ класу виправляють поправками, які обчислюються за формулою:

γm – наближене значення нормальної сили ваги, яке для України дорівнює 980000 мГал; γ0i; γ0K – нормальна сила ваги на відліковому еліпсоїді в точках i і K відповідно.

Hm – середня висота точок i і K відповідно. g – виміряне значення сили ваги.

γ – значення нормальної сили ваги.

g m – середнє значення аномалій сили ваги в точках i і K.

Відстані між гравіметричними пунктами встановлюються залежно від нахилів місцевості (див. табл. 3.1). В гірських районах виконують додаткові гравіметричні визначення на всіх реперах І та ІІ класів, на всіх поворотах ліній нівелювання.

При нівелюванні ІІІ класу в гірській місцевості відстань між гравіметричними пунктами не більше 10км.

Таблиця 3.1 Значення віддалей між суміжними гравіметричними пунктами в залежності від рельєфу

місцевості

Для нівелювання І та ІІ класу на місцевості з ухилами 0,04-0,03 поправки f можна обчислювати з використанням детальної гравіметричної карти з січенням до 2мГал. При ухилах менших 0,03, можна, користуватись будь-якого гравіметричною картою.

Висоти гравіметричних пунктів визначають з точністю 2-3м. Планове положення цих пунктів визначають з точністю 500м з карт масштабу 1:100000. Точки місцевості, на яких потрібно виконати гравіметричну зйомку, вказують на карті проекту нівелірної мережі.

Перспектива нівелювання (високоточного).

Розвиток наук про землю передбачає таких можливих проблем, як:

•Побудова земної кори і верхньої мантії, з метою вивчення процесів формування і закономірностей розташування корисних копалин.

•Геолого фізичне дослідження морської шельфової зони.

•Розробка методів прогнозування погоди.

При вирішенні цих задач важливу роль відіграють високоточні мережі нівелювання, повторне нівелювання окремих ліній, для визначення сучасних вертикальних рухів земної кори і приведення результатів нівелювання на єдину епоху. Впорядкування нівелірних зв’язків з державною мережею рівневих постів (футштоків) для вивчення динаміки рівня морів, океанів і крупних озер.

Подальший розвиток високоточного нівелювання в комплексі з геофізичними та іншими вимірами на геодинамічних полігонах.

Концепція поступового згущення нівелірних мереж І і ІІ класу з метою створення більш точної і щільної нівелірної мережі країни збережеться на 10 років, оскільки периметри полігонів є досить високі і не дозволяють вивчати вертикальні рухи з відповідною точністю.

3.4. Джерела похибок при високоточному нівелюванні та методи послаблення їх впливу.

Похибки можна поділити на приладові, особисті, методичні і зовнішнього середовища. Перед початком робіт необхідно виконувати перевірки і юстування приладів.

На точність визначення перевищень впливають численні фактори, серед яких основними є: вплив кривизни Землі і рефракції атмосфери; невиконання головної умови нівеліра; похибки відліків по шкалах рейок; похибки установки зорової труби; похибки в нанесенні ділень шкал рейок і ін.

Розглянемо вплив цих похибок і факторів на точність нівелювання. Вплив за кривизну Землі.

На фізичної поверхні Землі на відстані L знаходяться точки А і В, перевищення між якими дорівнює h (рис. 3.5).

Встановимо нівелір точно посередині між точками А і В і візьмемо відліки по рейках, вважаючи, що світловий промінь (1) в напрямку візирної осі поширюється в атмосфері прямолінійно. Для правильних відліків по рейках варто було б вимагати, щоб світловий промінь проходив по рівневій поверхні, яка визначається висотою приладу, тобто по шляху

(2). В цьому випадку перевищення між точками буде відповідати істинному:

hіст З2 П2

Проте насправді маємо:

повністю входить в значення виміряного перевищення.

При нівелюванні з середини вплив кривизни Землі, як систематична похибка, виключається в різниці відліків по рейках.

Величина похибки k через кривизну Землі у відліку по рейці, що знаходиться на відстані L від нівеліра, може бути оцінена за формулою:

k L2 , 2R

де R – радіус Землі.