Нивелирование - это вид геодезических измерений. С помощью него производится нахождение относительных высот различных точек земной поверхности. В качестве условного уровня при таких измерениях могут принимать такие природные объекты, как реки, моря, океаны, поля или другие исходные точки. По сути, нивелирование – это определение значения превышения поверхности каждого объекта над заданным (эталонным). Такие измерения требуются для составления точного рельефа изучаемой местности. В дальнейшем эти данные используются при составлении планов местности, карт или для решения конкретных прикладных задач.
Какие существуют виды нивелирования?
Такие измерения могут осуществляться разнообразными методами, отличающимися используемым оборудованием или технологией. Рассмотрим, какие бывают основные виды нивелирования. Наиболее распространенными являются пять методов: геометрическое, тригонометрическое, барометрическое, механическое и гидростатическое измерение поверхностей. Познакомимся подробнее с каждым из них.
Геометрическое нивелирование
При таком методе измерения местности используют специальную геометрическую рейку и прибор нивелир. Принцип съемки заключается в установке рейки со штрихами и делениями в необходимой точке возле изучаемой поверхности. После чего, используя горизонтально визирный луч, отсчитывается разница высот. Геометрическое нивелирование производится по принципу «из середины» либо «вперед». При измерении первым методом в двух точках поверхности устанавливают рейки, прибор находится между ними на равноудаленном расстоянии. Результатом съемки становятся данные о превышении одной из планок над другой. Второй способ является классическим – один прибор и одна рейка. Эти методы нивелирования являются наиболее распространенными. Они нашли применение в строительстве как мелких объектов (домов), так и крупных (мостов).
Тригонометрическое нивелирование
При таком виде проведения измерительных работ принято использовать специальные угломерные устройства, которые называют теодолитами. С помощью них снимают информацию об углах наклона луча визира, который проходит сквозь пару заданных точек поверхности. Тригонометрическое нивелирование широко используется при топографических измерениях для определения разницы высот двух объектов, которые находятся на значительном расстоянии друг от друга, однако в зоне оптической видимости прибора.
Барометрическое измерение поверхности
Барометрическое нивелирование – это метод измерений, основанный на зависимости воздушного атмосферного давления от высоты точки определяемой поверхности. Процесс считывания производится с помощью барометра. Данная система нивелирования должна учитывать ряд поправок на реальную температуру воздуха, на его влажность. Этот метод нашел применение в труднодоступной местности (например, в горных условиях) при различных географических и геологических экспедициях.
Механическое (техническое) измерение поверхности
Техническое нивелирование подразумевает использование специального прибора - нивелир-автомата. С помощью него осуществляется вычерчивание профиля изучаемой местности в автоматическом режиме с помощью фрикционного диска, который фиксирует пройденное расстояние, и установленного отвеса, который задает вертикаль. Такой прибор обычно устанавливают на транспортное средство и проезжают от одной определяемой точки до другой. Техническое нивелирование позволяет определить разность высот между изучаемыми объектами, расстояние между ними и профиль местности, который фиксируется на специальной фотоленте.
Гидростатическое измерение поверхности
Гидростатическое нивелирование – это метод, основанный на принципе действия сообщающихся сосудов. Съемка этим способом производится с помощью гидростатического прибора, который работает с погрешностью до двух миллиметров. Такой нивелир компонуется из пары стеклянных трубок, соединенных между собой шлангом, данная система заполнена водой. Процесс измерения осуществляется следующим образом – трубки крепятся к рейкам, на которых нанесена шкала. После этого планки устанавливаются возле изучаемых объектов, по делениям отмечают числовое значение разности двух уровней. Данная конструкция имеет существенный недостаток, а именно ограниченность предела измерения, который определен длиной шланга.
Описанные способы нивелирования (кроме механического) весьма просты и не требуют наличия специфического багажа знаний от оператора, поэтому широко применяются в строительстве и других сферах народного хозяйства.
Классы измерений
Кроме методики производства измерений, нивелирование принято разделять по классам точности. Каждому из них соответствует определенный вид и метод осуществления съема информации. Рассмотрим, какие существуют классы нивелирования.
- Первый класс считается высокоточным. Ему соответствует среднеквадратичная случайная ошибка, равная 0,8 миллиметра на один километр и систематическая, составляющая 0,08 мм/км.
- Второй класс также считается высокоточным. Однако погрешность здесь несколько выше – среднеквадратичная ошибка составляет 2,0 мм/км, а систематическая - 0,2 мм/км.
- Третий класс. Ему соответствует среднеквадратичная ошибка, равная 5,0 мм/км, а систематическая не учитывается.
- Четвертый класс. Ему соответствует среднеквадратичная ошибка, равная 10,0 мм/км, системная также не учитывается.
В зависимости от особенностей рельефа местности и поставленных задач съемки могут использоваться различные способы проведения съемки данных. Например, по полигонам, по параллельным линиям или нивелирование поверхности по квадратам. Последняя методика получила наибольшее распространение, она широко используется для съема данных с больших открытых площадок с относительно малой высотой сечений. Рассмотрим ее более подробно.
Разбивка по квадратам
Нивелирование поверхности этим методом выполняется с целью получения топографических крупномасштабных планов равнинных территорий. Плавное положение контрольных точек определяется путем прокладывания теодолитных ходов. А высоты – методом геометрического измерения с использованием технических нивелиров. Процесс съема данных может производиться двумя разными способами: путем прокладки нивелирных ходов с постепенной разбивкой поперечников и по квадратам.
Нивелирование по квадратам выполняют путем разбивания на местности при помощи мерной ленты и теодолита (сетки со стороной ячейки двадцать метров) при измерении в масштабах 1:500 и 1:1000, сорок метров – при съемке в масштабе 1:2000 и сто метров при 1:5000.
Одновременно с этим производится фиксации ситуации изучаемой территории и составляется абрис. Эти процедура выполняется теми же способами, что и при теодолитной съемке. Помимо вершин ячеек, на местности фиксируют характерные объекты рельефа – плюсовые точки: вершину и основание холма, дно и бровки ямы, точки на линиях водослива и водораздела и другие.
Съемочное обоснование создается путем прокладывания по внешним границам сетки квадратов нивелирных и теодолитных ходов, которые затем привязываются к пунктам единой государственной сети. Высоты плюсовых точек и вершин ячеек определяют способом геометрического нивелирования. Если длина стороны квадрата сорок метров и меньше, то с одной станции стараются произвести измерение всех определяемых точек. Расстояние от прибора до планки не должно превышать 100-150 метров. Если длина стороны квадрата сто метров, в таком случае нивелир размещается в центре каждой ячейки. По данным полевой съемки местности методом квадратов составляют журнал нивелирования и абрис измерений.
Журнал и абрис нивелирования по квадратам
В журнал вносятся данные о размере стороны ячейки, привязка координатной сетки к теодолитным ходам (геодезическое обоснование). Кроме того, указывается привязка к объектам местности – озерам, холмам и так далее. Также следует отметить, с каких позиций производилось нивелирование местности. В абрис заносятся результаты съемки каждого из квадратов. У вершины и плюсовой точки каждой ячейки указываются отсчеты от черной стороны планки (в метрах), а также подсчитанные высоты. Этот расчет выполняется по горизонту инструмента. Высоты вершин ячеек определяется как разность горизонта инструмента на станции и отсчета по рейке.
С целью контроля процесса измерения поверхности для двух вершин ячеек выполняют нивелирование с двух различных станций. Составление плана по полученным материалам снятия данных поверхности начинают с фиксации на планшете по координатам пунктов единой государственной геодезической сети, объектов съемочного обоснования (нивелирно-теодолитных ходов), плюсовых точек, вершин квадратов и ситуации.
Способ приложения
При нивелировании территории способом приложения теодолитных и нивелирных ходов с разбивкой на поперечники, ходы прокладывают по естественным характерным линиям данной местности, например, по водосливам или водоразделам. При таких работах поперечники и пикеты следует разбивать через каждые сорок метров при съемке в масштабе 1:2000 и через двадцать метров при съемках в масштабах 1:1000 и 1:500. В точках перегибов скатов отмечают плюсовые объекты. В процессе разбивания пикетов следует производить фиксацию ситуации и составлять абрис. Записи нивелирования производят в журнале. В нем отмечают порядковые номера пикетов, отсчеты по красной и черной стороне реек, расстояния плюсовых объектов от ближайших пикетов. По результатам нивелирования составляется топографический план территории, поперечные и продольные профили местности.
Измерение поверхности целесообразно проводить на участках предполагаемого места проведения работ по благоустройству и по вертикальной планировке территории. В качестве примера можно привести ландшафтное проектирование местности, окружающей какой-либо памятник архитектуры, или садово-парковой зоны.
Что такое нивелир?
Для проведения геометрического измерения местности, которое широко применяется в строительстве, используются нивелиры разнообразных конструкций. Эти приборы, согласно их принципу действия, принято разделять на: электронные, лазерные, гидростатические и оптико-механические. Все нивелиры оснащаются зрительной трубой, вращающейся в горизонтальной плоскости. Современная конструкция такого измерительного прибора предусматривает автоматическую компенсацию для выставления в рабочее положение зрительной оси.
История нивелирования
Первыми сведениями, которые дошли до современного человека о проведении нивелирования, относятся к первому веку до нашей эры, а именно к возведению оросительных каналов в Древней Греции и Риме. В исторических документах упоминается водяной измерительный прибор. Его изобретение и использование связывают с именами древнегреческого ученого Герона Александрийского и римского архитектора Марка Витрувия. Толчком для развития этих измерительных приборов и методов нивелирования послужило создание зрительной трубы, барометра, цилиндрического уровня и сетки градирования в зрительных трубах. Данные изобретения относятся к 16-17-му векам, они позволили разработать систему точной съемки поверхности земли.
В России во времена Петра Первого была основана оптическая мастерская, где среди прочего производили и нивелиры, только тогда они назывались ватерпасы с трубой. Разработкой нивелиров в мастерской занимался И. Е. Беляев. В этот же период появились и первые измерительные приборы, в основе которых использовались барометры. В начале девятнадцатого века появляются первые тригонометрические нивелиры, с их помощью проводились весьма масштабные работы по определению разности уровней Азовского и Черного морей, измерялась высота горы Эльбрус. Использование геометрических приборов зафиксировано в середине девятнадцатого века. Так, в 1847 году их использовали при строительстве Суэцкого канала. В нашей стране геометрическое нивелирование поверхности применялось при строительстве водных и сухопутных дорог. Началом создания отечественной государственной сети считается 1871 год. Тогда начались работы по фиксации и установке пунктов, которые служили основой для топографической съемки.
Применение нивелировки
Результатом нивелирования является создание единой опорной геодезической сети, служащей основой для проведения топографических измерений местности или разных геодезических измерений. Съемка широко применяется в исследовательских и научных целях: при изучении земного шара, движения земной коры, для фиксации колебаний уровня морей и океанов.
Нивелировка также применяется при решении различных прикладных задач, которые связаны со строительством разнообразных объектов, прокладкой путей сообщения, инженерных коммуникаций и т. д. Например, измерение местности необходимо для осуществления переноса проектных решений по высоте, кроме того, при монтажных работах по установке строительных конструкций. При решении подобных задач, всегда используются данные, полученные службой геодезии. Также, непосредственно для решения разных узкоспециализированных задач, применяют автоматические системы съема информации. К таким задачам относятся, например, ремонт и строительство дорожного полотна. Датчики, входящие в устройство автоматического нивелира, устанавливают на железнодорожные вагоны, автомобили, в результате чего получается готовый профиль изучаемой местности в кратчайшие сроки.
Современные технологии
На сегодняшний день, вследствие необычайно быстрого развития науки и технологий, для нивелирования поверхности используют различные технические ноу-хау.
- Лазерные. В основе их работы лежит считывание параметров местности с помощью лазерного сканирующего устройства.
- Ультразвуковые. Основным элементом такого прибора, является испускающий волны ультразвуковой датчик.
- GNSS-технология, которая связана с получением информации о текущих координатах с помощью спутниковой связи. Такая аппаратура обеспечивает очень высокую точность нивелирования.
Для обеспечения эффективной обработки большого количества потоков информации, получаемых в процессе применения вышеуказанных ноу-хау, требуется наличие соответствующего специального программного обеспечения, которое будет выполнять задачи, связанные с хранением, управлением, визуализацией и обработкой данных.
Современные системы нивелировки в дорожном строительстве
В современном строительстве дорожного покрытия широко используются автоматизированные системы. Они позволяют управлять дорожно-строительной техникой, учитывая ее текущее положение. При этом автоматическое нивелирование трассы отличается высокой точностью проводимых работ, существенно повышающей качество производимого дорожного полотна, а также сокращающей сроки строительства. Такие приборы, установленные на асфальтоукладчики, дорожные фрезы, бульдозеры, позволяют устранять повреждения и дефекты старого покрытия при укладке нового слоя. Эти нивелиры контролируют поперечный уклон дороги, выполняют его по точно заданным проектом параметрам. Современные системы измерения поверхности для дорожно-строительной техники делят на несколько типов в зависимости от применяемой технологии.
- Ультразвуковые приборы с различным количеством датчиков.
- Лазерные системы съема.
- Прибор на базе спутниковых GPS-технологий.
- Трехмерная система, работающая на принципе тахеометра.
При необходимости, смотря какая требуется сложность и особенность проводимых работ, может использоваться та или иная технология автоматического нивелирования.
