Система координат ПЗ–90 является геоцентрической прямоугольной пространственной системой с началом координат в центре масс Земли. Ось Z направлена к Условному Земному полюсу, как определено рекомендациями Международной службы вращения Земли (IERS), а ось Х – в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, установленного Международным бюро времени, ось Y дополняет систему ПЗ–90 до правосторонней ортогональной системы координат.

Реализация этой системы осуществляется через координаты пунктов КГС. Пункты наземного комплекса управления системой ГЛОНАСС совмещены с пунктами КГС.

Геометрические параметры эллипсоидов для различных систем координат представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Средние квадратичные ошибки отнесения системы координат ПЗ–90 к центру масс Земли составляют 1–2 м, взаимное положение пунктов в системе ПЗ–90 оценивается около 0,3 м при среднем расстоянии между соседними пунктами сети до 10000 км (или в относительной мере – около единицы 7-го знака).

В настоящее время функционируют приемные устройства, одновременно использующие системы GPS и ГЛОНАСС. Обе системы имеют сходные параметры: близкие несущие частоты, общность конструкций кодовых сигналов, использующих фазовую манипуляцию, близость высот и наклонений орбит и периодов обращения.

В 2005 г. начнет функционировать европейская система нового поколения спутникового позиционирования Galileo. Ее работу будут обеспечивать 30 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. С учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет более 80 космических аппаратов, охватывающих весь земной шар.

Преимущество спутниковых систем позиционирования перед традиционными способами определения координат: глобальность, всепогодность, оптимальная точность, быстрота получения данных, минимальные затраты при построении государственных геодезических сетей и сетей сгущений.

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТ ТОЧЕК
ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. НИВЕЛИРОВАНИЕ

Геодезические измерения по определению превышений и отметок высот местности называются нивелированием.

Различают следующие виды нивелирования: геометрическое, тригонометрическое и физическое (барометрическое, гидростати-ческое и др.).

8.1 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).

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 передней рейкам, 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 Н_А плюс превышение между ними Н_В = Н_А + 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 Н_В= Н_А + і – П. Величину Н_А + і называют горизонтом инструмента ГИ, т. е. ГИ – это отметка визирной оси прибора. Таким образом, отметка Н_В = ГИ – П. Контроль вычислений ГИ = Н_В + 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 Н_В = Н_А + Σ h_і. Для контроля определяют превышение второй раз по другой стороне рейки.

Нивелирные ходы могут быть замкнутыми и разомкнутыми.

8.2. 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).

У

Рис. 8.3

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.

Н ивелиры 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

Рис. 8.4

Чтобы точно фиксировать рейки по высоте, выбранные точки закрепляют костылями, башмаками или деревянными (металлическими) колышками, на которые затем устанавливают рейки.

8.3. Поверки и юстировки нивелиров

Перед производством нивелирных работ проводится осмотр нивелира. Необходимо убедиться в отсутствии люфтов подъемных винтов, головки штатива и башмаков.

1. Ось круглого (установочного уровня) должна быть параллельна вертикальной оси вращения прибора. Подъемными винтами подставки пузырек приводят в нуль-пункт и верхнюю часть нивелира поворачивают на 180˚. Если пузырек отклонится от нуль-пункта, то тремя подъемными винтами подставки его приводят к середине на половину дуги отклонения, а окончательно совмещают с положением «нуль-пункт» тремя исправительными винтами.

2. Основной горизонтальный штрих сетки нитей должен быть перпендикулярен к оси вращения прибора. Нивелир устанавливают в 40–50 м от неподвижно закрепленной рейки. Вертикальную ось прибора приводят в отвесное положение и, поворачивая наводящим винтом зрительную трубу, следят за постоянством отсчета по основному горизонтальному штриху сетки нитей. Если отсчет изменяется более чем на 1 мм, то ослабив крепящие винты, поворачивают диафрагму с сеткой нитей в верное положение. Поверку необходимо повторить и если условие выполнено закрепить диафрагму винтами.

3. Ось цилиндрического уровня должна быть параллельна визирной оси зрительной трубы (главное геометрическое условие). Эта поверка выполняется для нивелиров Н–3, 2Н–3Л и других, имеющих цилиндрический уровень и элевационный винт. На местности выбирают достаточно ровную площадку. Линию длиной 60–70 м закрепляют колышками или костылями. Поверка выполняется нивелированием вперед с концов закрепленной линии. Нивелир устанавливают в 1–2 м от вертикально установленной на костыле рейки. Приводят нивелир в рабочее положение, при помощи элевационного винта устанавливают пузырек цилиндрического уровня в нуль-пункт (совмещают концы уровня в окошке зрительной трубы) и берут отсчет по этой рейке, который является высотой нивелира і₁. Визируя на рейку, установленную на второй точке, берут отсчет а₁. После этого переносят нивелир ко второй точке и выполняют аналогичные измерения, получая отсчеты і₂ и а₂. Не снимая нивелира с данной станции, вычисляют величину х, которая характеризует соблюдение главного условия поверки:

Если абсолютное значение величины х превышает 4 мм, то выполняют юстировку цилиндрического уровня. При помощи элевационного винта основной горизонтальный штрих сетки устанавливают на правильный отсчет по рейке . При этом изображение концов уровня разойдутся. Вертикальными исправительными винтами уровня точно совмещают изображение концов пузырька, следя за тем, чтобы отсчет по рейке оставался равным а_пр. Для контроля поверку повторяют. Определение величины х выполняют перед началом работ ежедневно.

Для нивелиров с компенсаторами (Н–3К; Ni–025 и др.) все поверки выполняются аналогично, только поверка главного геометрического условия звучит так: у нивелиров, установленных в рабочее положение визирная ось трубы должна быть горизонтальна. В случае несоблюдения данного условия сетку нитей зрительной трубы с помощью исправительных винтов перемещают и устанавливают на предвычисленный (правильный) отсчет равный а_пр.. Для контроля поверку повторяют.

8.4. 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.