Нивелирование и нивелировка
Нивелирование и нивелировка
Одним из видов геодезических измерений является нивелирование, с помощью которого производится определение относительных высот любых точек поверхности земли. Условным уровнем при таких геодезических измерениях может выступать уровень реки или океана или любая другая исходная точка. То есть, по сути, нивелирование – это определение превышения уровня каждой поверхности точки над заданной, что необходимо для построения точного рельефа местности, который в дальнейшем может использоваться для построения карт, планов местности или для решения прикладных задач.
Виды нивелирования
Нивелировка поверхности может осуществляться различными методами, которые отличаются технологией и используемым оборудованием:
1. Геометрическое нивелирование.
Для съемки местности с помощью геометрического нивелирования используют рейку и нивелир. Принцип нивелировки заключается в установке специальной рейки с делениями и штрихами в необходимой точке поверхности, после чего с помощью горизонтального визирного луча отсчитывается разность высот.
Геометрическая нивелировка производится методом «из середины» или «вперед». В первом случае рейки устанавливаются в двух точках поверхности, а нивелир располагается между ними таким образом, чтобы расстояния до реек были примерно равными. Результатом измерений становится информация о превышении уровня одной из реек над другой.
Геометрическое нивелирование – наиболее распространенный метод, который широко применяется в строительстве.
2. Тригонометрическое нивелирование.
При таком методе нивелировки используют специальные угломерные приборы (теодолиты), с помощью которых измеряют углы наклона визирного луча, который проходит через две заданные точки поверхности. Такой метод используется при топографической съемке для определения разности высот двух точек, которые находятся в зоне оптической видимости, но на значительном расстоянии друг от друга.
3. Барометрическое нивелирование.
Такой метод основан на зависимости атмосферного давления воздуха от высоты точки поверхности. Измерение давления производят с помощью барометра, а в полученные данные вносят поправки на реальные температурные ивлажностные параметры воздуха при измерениях.
Такой метод обычно используется в труднодоступных местностях, при различных геологических или географических экспедициях.
4. Механическое нивелирование.
Для нивелировки поверхности с помощью данного метода используют специальный нивелир-автомат, который вычерчивает профиль местности автоматически с помощью установленного отвеса, задающего вертикаль, и фрикционного диска, фиксирующего пройденное расстояние. Такой нивелир-автомат устанавливается на транспортное средство и определяет:
- разность высот между заданными точками;
- расстояние между заданными точками;
- профиль местности, фиксируя его на фотоленте.
5. Гидростатическое нивелирование.
Этот метод нивелировки основан на принципе работы сообщающихся сосудов. Измерения гидростатическим методом производят с помощью гидростатического нивелира, работающего с погрешностью 1-2 мм. Такой нивелир компонуется из двух стеклянных трубок, которые соединены между собой шлангом, заполненным водой. Стеклянные трубки вставлены в рейки, на которых нанесены деления, по которым определяют числовые значения превышения уровня. Из конструкции гидростатического нивелира видно, что зона его действия ограничивается длиной шланга, соединяющего сосуды.
Помимо методики производства работ, нивелирование разделяют по классам точности, каждому из которых соответствуют определенные методы и виды нивелирования:
- I класс (высокоточный), которому соответствует случайная среднеквадратичная ошибка 0,8 мм/км и систематическая ошибка 0,08 мм/км;
- II класс (высокоточный), которому соответствует случайная среднеквадратичная ошибка 2,0 мм/км и систематическая ошибка 0,2 мм/км;
- III класс, которому соответствует случайная среднеквадратичная ошибка 5,0 мм/км;
- IV класс, которому соответствует случайная среднеквадратичная ошибка 10,0 мм/км, вычисляемая по невязкам полученных линий и полигонов.
Кроме указанных классов, применяют техническое нивелирование, класс точности которого ниже четвертого.
В зависимости от рельефа заданной местности и задач съемки, может использоваться нивелирование по квадратам, по параллельным линиям или по полигонам. Первый метод получил наибольшее распространение и широко применяется для больших открытых участков местности с малой высотой сечения.
Что такое нивелир?
Для выполнения геометрического нивелирования, которое повсеместно используется в строительстве, используются нивелиры различных конструкций. Согласно принципу действия разделяют электронные, оптико-механические, лазерные и гидростатические нивелиры. Все приборы оснащены зрительной трубой, которая вращается в горизонтальной плоскости. Современные конструкции нивелиров предусматривают автоматическую компенсацию для установки зрительной оси в рабочее положение.
Все нивелиры разделяются на различные классы точности: высокоточные, точные и технические. Высокоточные нивелиры обеспечивают погрешность измерения менее 2 мм на 1 км двойного хода, точные – менее 5 мм.
История нивелирования
Первые сведения о нивелировании относятся к 1 в. до н.э., а именно к строительству оросительных каналов в Древнем Риме и Греции. Исторические документы упоминают водяной нивелир и связывают его изобретение и использование с именами Марка Витрувия, римского архитектора, и Герона александрийского, древнегреческого ученого.
Толчком к развитию методов нивелирования послужило изобретение зрительной трубы, цилиндрического уровня, барометра и сетки нитей в зрительных трубах. Все эти открытия относятся к 16-17 векам и позволили разработать точные методы измерения поверхности земли.
В России во время царствования Петра I была создана оптическая мастерская (1715-1725 г.г.), где среди прочей техники производились нивелиры, которые назывались ватерпасы с трубой. Разработками нивелиров в этой мастерской руководил И.Е. Беляев. К этому же периоду относится измерение уровня точек поверхности с помощью барометра.
Начало 19 века ознаменовано появлением тригонометрического нивелирования, с помощью которого были проведены такие масштабные работы, как определение разности уровня Черного и Азовского морей, измерена высота горы Эльбрус.
Широкое использование геометрического нивелирования относится к середине 19 века. Например, в 1847 году он был использован при проектировании Суэцкого канала. В отечественной геодезии геометрическое нивелирование применялось для строительства сухопутных и водных дорог.
Начало создания отечественной нивелирной сети относится к 1871 году, когда были начаты работы по установке пунктов, служащих основой для топографических съемок.
Применение нивелировки
Результатом нивелировки является создание опорной геодезической сети, которая служит основой при проведении топографической съемки местности или любых геодезических измерениях.
Нивелирование широко применяется в научных и исследовательских целях: при изучении фигуры земного шара, движений земной коры, а также для фиксации колебаний уровня океанов или морей.
Нивелировка также повсеместно применяется для решения прикладных задач, связанных со строительством различных объектов, прокладкой инженерных коммуникаций, путей сообщения и т.д. Например, нивелирование необходимо для переноса проектных решений по высоте, а также при монтажных работах для установки строительных конструкций. Для решения всех этих задач используют данные, полученные геодезистами с использованием нивелиров. Помимо этого, для решения узкоспециализированных задач, применяются автоматические системы нивелирования. К таким задачам относится, например, строительство и ремонт дорожного полотна. Кроме этого, датчики, входящие в систему автоматической нивелировки устанавливаются на автомобилях, железнодорожных вагонах, в результате чего можно получить готовый профиль местности в самые короткие сроки.
Современные технологии в нивелировании
На сегодняшний день, в виду необычайно быстрого развития технологий, для нивелировки поверхности могут использоваться различные технологии:
- лазерные, в основу работы которых положено считывание параметров поверхности с помощью лазерного сканера;
- ультразвуковые, главным элементом которых является ультразвуковой датчик, испускающий волны;
- GNSS-технологии, которые связаны с получением данных о текущих координатах через спутниковую связь. Такая технология обеспечивает высочайшую точность нивелирования.
Для эффективной обработки больших потоков данных, получаемых в результате применения вышеуказанных технологий, требуется наличие специального программного обеспечения, выполняющего задачи хранения, управления, визуализации и обработки данных.
Современные системы нивелирования в дорожном строительстве
В современном дорожном строительстве широко применяются автоматизированные системы нивелирования, которые позволяют управлять рабочим органом дорожно-строительной техники в зависимости от его текущего положения. При этом системы автоматического нивелирования отличаются высокой точностью работ, значительно повышающей качество дорожного полотна и сокращающей общие сроки строительства.
Автоматические системы нивелирования, установленные на асфальтоукладчиках, дорожных фрезах или бульдозерах, позволяют устранять дефекты старого дорожного полотна при укладке нового слоя покрытия. Такая нивелировка контролирует поперечный уклон дороги и выполняет его точно с заданными проектом параметрами.
Современные системы нивелировки для дорожно-строительной техники разделяются на несколько видов в зависимости от используемой технологии:
- ультразвуковые системы с различным количеством датчиков;
- лазерные системы нивелирования;
- системы на базе спутниковых GPS-технологий;
- трехмерные системы, работающие на базе тахеометра.
В зависимости от сложности и требуемого качества дорожно-строительных работ может использоваться та или иная система автоматической нивелировки. Главной особенностью таких систем, предлагаемых лидирующими мировыми производителями, является возможность модернизации систем нивелирования от простых до наиболее сложных.