Геометрическое нивелирование
Геометрическое нивелирование
При этом методе нивелирования превышения точек получают при помощи горизонтального луча визирования. Геодезические приборы, используемые для выполнения геометрического нивелирования называют нивелирами.
Существуют два способа геометрического нивелирования: нивелирование из середины (рис. 8.1) и нивелирование вперед (рис. 8.2). 
| Рис. 8.1 | Рис. 8.2 |
При нивелировании из середины (рис.8.1) на местности в двух точках А и В вертикально устанавливают рейки с сантиметровыми делениями, а между ними – нивелир, зрительная труба которого занимает горизонтальное положение и снимают отсчеты З по задней и П переднейрейкам, представляющие расстояния от точек А и В до визирного луча. Тогда превышение h точки В над точкой А определяется по формуле h = З – П, т. е. превышение равно разности отсчетов по задней и передней рейкам.
Превышение будет положительным при З > П и отрицательным при З < П и соответственно передняя точка будет находиться выше или ниже задней. Высота точки В будет равна отметке предыдущей точки НА плюс превышение между ними НВ = НА + h.
При нивелировании вперед (рис. 8.2) нивелир устанавливают над начальной точкой А, а над передней точкой В устанавливают рейку. В точке А измеряют высоту нивелира і, представляющую вертикальное (отвесное) расстояние от центра окуляра зрительной трубы прибора до точки и берут отсчет по передней рейке П.Таким образом, h = і – П. Высотная отметка точки В будет НВ= НА + і – П. Величину НА + і называют горизонтом инструмента ГИ, т. е. ГИ – это отметка визирной оси прибора. Таким образом, отметка НВ = ГИ – П. Контроль вычислений ГИ = НВ + П. Следовательно, горизонт инструмента ГИ на данной станции равен отметке точки плюс отсчет по рейке, установленной в этой точке.
Станцией называют место постановки нивелира в процессе измерения превышений. Нивелирование «вперед» применяется при определении превышений через водные преграды и поверках инструментов.
Нивелирование «из середины» имеет ряд преимуществ:
1. Позволяет увеличивать расстояние между точками для которых измеряются превышения;
2. Компенсируются погрешности, возникающие из-за отклонения визирной оси от горизонтального положения;
3. Компенсируются погрешности за счет кривизны Земли.
Нивелирование между удаленными точками выполняют с нескольких станций, которые образуют нивелирный ход. Точки или пикеты, общие для двух станций называют связующими. В нивелирном ходе, способом из середины, суммарное превышение между определяемыми точками вычисляют по формуле 
, т. е. сумма превышений хода равна разности сумм отсчетов на задние и передние рейки. Отметка конечной точки В будет равна НВ = НА + Σ hі. Для контроля определяют превышение второй раз по другой стороне рейки.
Нивелирные ходы могут быть замкнутыми и разомкнутыми.
Нивелиры и их устройство
Заводской шифр нивелиров, выпускаемых в России, состоит из заглавной буквы, обозначающей название геодезического прибора, в данном случае, нивелир – Н и последующих за буквой цифр, указывающих точность нивелира (среднюю квадратическую погрешность определения превышения в мм на 1 км двойного хода). Если в названии нивелира имеется буква К, то такой нивелир не имеет цилиндрического уровня, его визирная ось устанавливается в рабочее (горизонтальное) положение автоматически при помощи компенсатора. Буква Л в названии нивелира указывает на наличие в данной модификации лимба (горизонтального круга).
По точности нивелиры подразделяются на: высокоточные (Н – 05, Н – 2), которые служат для выполнения нивелирования I и II классов точности; точные (Н – 3, 2Н – 3Л; НС – 4, Н – 3К) – для нивелирования III и IV классов точности; технические (Н – 10, 2Н – 10КЛ) для технического нивелирования.
В зависимости от конструкции различают нивелиры: с цилиндрическим уровнем при трубе для приведения визирной оси в горизонтальное положение (Н – 3) и с самоустанавливающейся в горизонтальное положение линией визирования (H – 3K; H – 10 КЛ).
Устройство нивелиров. Нивелиры (рис. 8.3) состоят из двух частей: нижняя часть представляет собой подставку (трегер) 1 с тремя подъемными винтами 2, позволяющими устанавливать прибор в горизонтальное положение по круглому установочному уровню 3. Верхняя часть состоит из зрительной трубы 4 и скрепленного с ней контактного цилиндрического уровня 5. Зрительная труба имеет визирную сетку. Контактный цилиндрический уровень имеет цену деления в зависимости от точности нивелира (высокоточные – 10´´; точные – 15÷23´´ и технические – 45´´).
Для грубого наведения на рейку используют целик и мушку зрительной трубы, а точное наведение осуществляется наводящим винтом 6. Нивелир крепится к штативу становым винтом.
Предварительная установка нивелира в рабочее положение осуществляется подъемными винтами подставки. Точное приведение в нуль-пункт пузырька цилиндрического уровня осуществляется элевационным винтом 7 по изображению его концов, которые с помощью оптической системы передаются в поле зрения зрительной трубы в виде контакта.
Нивелиры с самоустанавливающейся линией визирования имеют компенсаторы, которые после приведения пузырька круглого уровня на середину устанавливают визирную ось в горизонтальное положение с точностью не более 1,5´´при наклоне зрительной трубы до ± 15´. Колебание компенсатора гасится воздушным демпфером. Нивелиры с компенсаторами позволяют повысить производительность труда при выполнении нивелирования.
В нивелирный комплект входят двусторонние нивелирные рейки (рис. 8.4). На их поверхность нанесены сантиметровые деления, с одной стороны окрашенные в черный и белый цвета, а с другой – в красный и белый. Концы рейки оковываются полоской металла. Нижний конец рейки называется пяткой. Пятка черной стороны рейки совмещается с нулем шкалы, а красная (контрольная) – начинается с произвольной цифры. По конструкции рейки бывают цельные и складные,а по длине – трех- и четырехметровые. Подписи делений (цифры) соответствуют дециметрам и возрастают снизу вверх. Цифры этих подписей прямые (см. рис. 8.4) или перевернутые в зависимости от вида изображения в зрительных трубах (прямое или обратное).
Чтобы точно фиксировать рейки по высоте, выбранные точки закрепляют костылями, башмаками или деревянными (металлическими) колышками, на которые затем устанавливают рейки.
Нивелирование трассы
Нивелирование производят при изысканиях трассы для строительства дорог, каналов, а так же построения профилей местности и создания высотного обоснования топографических съемок.
Нивелирование трассы включает: рекогносцировку; разбивку пикетажа; производство нивелирования, обработку его результатов, построение и вычерчивание профиля трассы в заданном масштабе.
Рекогносцировку выполняют с целью уточнения направления трассы. Углы поворотов трассы закрепляют столбами.
Разбивку пикетажа проводят лентами после провешивания трассы (см. 6.1) между поворотными столбами. Расстояние между пикетами обычно берут равным 100 м, хотя в зависимости от конкретных задач может приниматься другая величина. Начальную точку трассы принимают за нулевой пикет и обозначают ПК 0. Через принятое пикетное расстояние колышками длиной 10–15 см закрепляют точки, называемые пикетами, которые забиваются вровень с поверхностью земли. Рядом с пикетом устанавливают колышек длиной 30–40 см, называемый сторожком. Он должен выступать от поверхности земли примерно на 20 см. Пикет со сторожком окапывают канавкой. При углах наклона более 2º отрезки длины линий увеличивают на величину поправки за наклон с тем, чтобы в горизонтальном проложении расстояние между пикетами было равным 100 м.
В тех случаях, если пикет невозможно установить через положенное расстояние (камни, ямы), его закрепляют на расстоянии меньше заданного. Такие пикеты называют рубленными. В следующем пикете расстояние должно быть компенсировано.
Если между пикетами окажется поворотный столб, то измеряют расстояние до него, а в вершине угла подписывают его пикетажное положение, которое равно заднему пикету плюс расстояние от него до вершины угла, например, ПК 3+48. От поворотного столба отмеряют остаток расстояния до следующего пикета, в нашем примере 52 м. В характерных точках рельефа местности обязательно устанавливают сторожки, на которых подписывают номер заднего пикета плюс расстояние до него, например, ПК 2+67. Такие точки называют плюсовыми или промежуточными. На склонах холмов, по долинам рек, по профилю или трассе прокладывают в обе стороны поперечники длиной до 25–50 м, которые через 10–15 м закрепляют сторожками.
Одновременно с разбивкой пикетажа заполняют пикетажную книжку, где показывают по прямой линии трассу со всеми пикетами и промежуточными точками, а также ситуацию в притрассовой полосе местности шириной до 100 м.
Нивелирование пикетных точек выполняют способом из середины в одном направлении. Отсчеты по рейкам при нивелировании технического класса точности берут только по основному горизонтальному штриху сетки нитей. В журнале записывают номера станций, названия исходных пунктов, а также номера пикетов и, если имеются, промежуточных точек.
Нивелир устанавливают в рабочее положение по середине расстояния между пикетами (связующими точками), в которых вертикально установлены рейки и берут по ним отсчеты. При производстве нивелирования нивелир и рейки должны располагаться так, чтобы ви 
зирный луч не проходил ближе чем 20 см от поверхности земли.
При работе с двухсторонними рейками наблюдения на станции выполняют в следующем порядке: 1) отсчет по черной стороне задней рейки; 2) отсчет по красной стороне задней рейки; 3) отсчет по черной стороне передней рейки; 4) отсчет по красной стороне передней рейки. Отсчеты записываются в журнал геометрического нивелирования.
Рис. 8.5.
При производстве работ нивелирами с контактным цилиндрическим уровнем перед каждым отсчетом пузырек цилиндрического уровня элевационным винтом приводят в нуль-пункт. Согласно рис. 8.5, отсчет по рейке будет равен 1119 мм.
Работа на станции завершается вычислением превышений, которые равны разности отсчетов на задний и передний пикеты по черным и красным сторонам реек. Из вычисленных превышений определяется среднее превышение. Расхождения в превышениях, полученных по черной и красной сторонам реек с учетом разности нулей красных сторон, допускают не более 5 мм. После этого задний реечник переходит на следующий пикет. Если имеются промежуточные точки, то задний реечник по ходу движения устанавливает в этих точках рейку. Отсчеты берут только по черной стороне рейки. При переходе на следующую станцию рейки чередуются: передняя становится задней, а задняя – передней.
На участках с крутыми склонами, если с одной станции невозможно снять отсчеты между связующими точками, т.к. луч визирования будет проходить выше рейки или попадать в землю, производят закрепление иксовых точек. Расстояния до них не определяют. Нивелирование иксовых точек проводят, как и связующих. При перерывах в работе, нивелирование заканчивают на закрепленной точке.
8.5 Обработка результатов
геометрического нивелирования
Геометрическое нивелирование
При этом методе нивелирования превышения точек получают при помощи горизонтального луча визирования. Геодезические приборы, используемые для выполнения геометрического нивелирования называют нивелирами.
Существуют два способа геометрического нивелирования: нивелирование из середины (рис. 8.1) и нивелирование вперед (рис. 8.2).
| Рис. 8.1 | Рис. 8.2 |
При нивелировании из середины (рис.8.1) на местности в двух точках А и В вертикально устанавливают рейки с сантиметровыми делениями, а между ними – нивелир, зрительная труба которого занимает горизонтальное положение и снимают отсчеты З по задней и П переднейрейкам, представляющие расстояния от точек А и В до визирного луча. Тогда превышение h точки В над точкой А определяется по формуле h = З – П, т. е. превышение равно разности отсчетов по задней и передней рейкам.
Превышение будет положительным при З > П и отрицательным при З < П и соответственно передняя точка будет находиться выше или ниже задней. Высота точки В будет равна отметке предыдущей точки НА плюс превышение между ними НВ = НА + h.
При нивелировании вперед (рис. 8.2) нивелир устанавливают над начальной точкой А, а над передней точкой В устанавливают рейку. В точке А измеряют высоту нивелира і, представляющую вертикальное (отвесное) расстояние от центра окуляра зрительной трубы прибора до точки и берут отсчет по передней рейке П.Таким образом, h = і – П. Высотная отметка точки В будет НВ= НА + і – П. Величину НА + і называют горизонтом инструмента ГИ, т. е. ГИ – это отметка визирной оси прибора. Таким образом, отметка НВ = ГИ – П. Контроль вычислений ГИ = НВ + П. Следовательно, горизонт инструмента ГИ на данной станции равен отметке точки плюс отсчет по рейке, установленной в этой точке.
Станцией называют место постановки нивелира в процессе измерения превышений. Нивелирование «вперед» применяется при определении превышений через водные преграды и поверках инструментов.
Нивелирование «из середины» имеет ряд преимуществ:
1. Позволяет увеличивать расстояние между точками для которых измеряются превышения;
2. Компенсируются погрешности, возникающие из-за отклонения визирной оси от горизонтального положения;
3. Компенсируются погрешности за счет кривизны Земли.
Нивелирование между удаленными точками выполняют с нескольких станций, которые образуют нивелирный ход. Точки или пикеты, общие для двух станций называют связующими. В нивелирном ходе, способом из середины, суммарное превышение между определяемыми точками вычисляют по формуле , т. е. сумма превышений хода равна разности сумм отсчетов на задние и передние рейки. Отметка конечной точки В будет равна НВ = НА + Σ hі. Для контроля определяют превышение второй раз по другой стороне рейки.
Нивелирные ходы могут быть замкнутыми и разомкнутыми.
Нивелиры и их устройство
Заводской шифр нивелиров, выпускаемых в России, состоит из заглавной буквы, обозначающей название геодезического прибора, в данном случае, нивелир – Н и последующих за буквой цифр, указывающих точность нивелира (среднюю квадратическую погрешность определения превышения в мм на 1 км двойного хода). Если в названии нивелира имеется буква К, то такой нивелир не имеет цилиндрического уровня, его визирная ось устанавливается в рабочее (горизонтальное) положение автоматически при помощи компенсатора. Буква Л в названии нивелира указывает на наличие в данной модификации лимба (горизонтального круга).
По точности нивелиры подразделяются на: высокоточные (Н – 05, Н – 2), которые служат для выполнения нивелирования I и II классов точности; точные (Н – 3, 2Н – 3Л; НС – 4, Н – 3К) – для нивелирования III и IV классов точности; технические (Н – 10, 2Н – 10КЛ) для технического нивелирования.
В зависимости от конструкции различают нивелиры: с цилиндрическим уровнем при трубе для приведения визирной оси в горизонтальное положение (Н – 3) и с самоустанавливающейся в горизонтальное положение линией визирования (H – 3K; H – 10 КЛ).
Устройство нивелиров. Нивелиры (рис. 8.3) состоят из двух частей: нижняя часть представляет собой подставку (трегер) 1 с тремя подъемными винтами 2, позволяющими устанавливать прибор в горизонтальное положение по круглому установочному уровню 3. Верхняя часть состоит из зрительной трубы 4 и скрепленного с ней контактного цилиндрического уровня 5. Зрительная труба имеет визирную сетку. Контактный цилиндрический уровень имеет цену деления в зависимости от точности нивелира (высокоточные – 10´´; точные – 15÷23´´ и технические – 45´´).
Для грубого наведения на рейку используют целик и мушку зрительной трубы, а точное наведение осуществляется наводящим винтом 6. Нивелир крепится к штативу становым винтом.
Предварительная установка нивелира в рабочее положение осуществляется подъемными винтами подставки. Точное приведение в нуль-пункт пузырька цилиндрического уровня осуществляется элевационным винтом 7 по изображению его концов, которые с помощью оптической системы передаются в поле зрения зрительной трубы в виде контакта.
Нивелиры с самоустанавливающейся линией визирования имеют компенсаторы, которые после приведения пузырька круглого уровня на середину устанавливают визирную ось в горизонтальное положение с точностью не более 1,5´´при наклоне зрительной трубы до ± 15´. Колебание компенсатора гасится воздушным демпфером. Нивелиры с компенсаторами позволяют повысить производительность труда при выполнении нивелирования.
В нивелирный комплект входят двусторонние нивелирные рейки (рис. 8.4). На их поверхность нанесены сантиметровые деления, с одной стороны окрашенные в черный и белый цвета, а с другой – в красный и белый. Концы рейки оковываются полоской металла. Нижний конец рейки называется пяткой. Пятка черной стороны рейки совмещается с нулем шкалы, а красная (контрольная) – начинается с произвольной цифры. По конструкции рейки бывают цельные и складные,а по длине – трех- и четырехметровые. Подписи делений (цифры) соответствуют дециметрам и возрастают снизу вверх. Цифры этих подписей прямые (см. рис. 8.4) или перевернутые в зависимости от вида изображения в зрительных трубах (прямое или обратное).
Чтобы точно фиксировать рейки по высоте, выбранные точки закрепляют костылями, башмаками или деревянными (металлическими) колышками, на которые затем устанавливают рейки.