Нивелирование или нивелирование ( американский английский ; см. различия в написании ) — раздел геодезии , целью которого является установление или проверка или измерение высоты указанных точек относительно точки отсчета. Он широко используется в геодезии и картографии для измерения вертикального положения относительно вертикальной точки отсчета , а в строительстве — для измерения разницы высот строительных артефактов.
Оптическое нивелирование , также известное как спиртовое нивелирование и дифференциальное нивелирование , использует оптический уровень , который состоит из точного телескопа с перекрестьем и делениями дальномера . Перекрестие нитей используется для установки точки уровня на цели, а дальномер позволяет определять расстояние; дальномерные деления обычно имеют соотношение 100:1, в этом случае один метр между делениями дальномерного деления на рейке (или стержне ) уровня соответствует 100 метрам от цели.
Обычно весь блок устанавливается на штатив , а телескоп может свободно вращаться на 360° в горизонтальной плоскости. Геодезист настраивает уровень инструмента путем грубой регулировки ножек штатива и точной регулировки с помощью трех прецизионных нивелировочных винтов на инструменте, чтобы сделать плоскость вращения горизонтальной. Геодезист делает это с помощью уровня «бычий глаз», встроенного в крепление инструмента.
Геодезист смотрит в окуляр телескопа, в то время как помощник держит вертикальную рейку уровня, градуированную в дюймах или сантиметрах. Рейка уровня устанавливается вертикально с помощью уровня, его основание находится в точке, для которой требуется измерение уровня. Телескоп вращается и фокусируется до тех пор, пока рейка уровня не будет четко видна в перекрестье. В случае высокоточного ручного уровня точная настройка уровня выполняется винтом высоты с использованием высокоточного пузырькового уровня, закрепленного на телескопе. Это можно увидеть с помощью зеркала во время настройки, или концы пузырька могут отображаться внутри телескопа, что также позволяет гарантировать точный уровень телескопа во время визирования. Однако в случае автоматического уровня настройка высоты выполняется автоматически с помощью подвешенной призмы под действием силы тяжести, пока грубое нивелирование является точным в определенных пределах. При выравнивании записывается показание градуировки рейки на перекрестье, и ставится идентификационная отметка или маркер, на которые рейка уровня опиралась на объект или позицию, подлежащую обследованию.
Типичная процедура для линейного пути уровней от известного уровня выглядит следующим образом. Установите инструмент в пределах 100 метров (110 ярдов) от точки с известной или предполагаемой высотой. Рейка или рейка удерживаются вертикально на этой точке, и инструмент используется вручную или автоматически для считывания шкалы рейки. Это дает высоту инструмента над начальной точкой (задней) и позволяет вычислить высоту инструмента (HI) над уровнем. Затем рейка удерживается на неизвестной точке, и показания снимаются таким же образом, позволяя вычислить высоту новой точки (передней). Разница между этими двумя показаниями равна изменению высоты, поэтому этот метод также называется дифференциальным нивелированием . Процедура повторяется до тех пор, пока не будет достигнута точка назначения. Обычной практикой является выполнение либо полного цикла обратно к начальной точке, либо замыкание хода на второй точке, высота которой уже известна. Проверка замыкания защищает от грубых ошибок в работе и позволяет распределить остаточную ошибку наиболее вероятным образом между станциями.
Некоторые приборы оснащены тремя перекрестиями, которые позволяют измерять расстояния вперед и назад по дальномерным линиям . Они также позволяют использовать среднее значение трех показаний (3-проводное нивелирование) для проверки на наличие грубых ошибок и для усреднения ошибки интерполяции между отметками на шкале стержня.
Два основных типа нивелирования — это одинарное нивелирование, как уже было описано, и двойное нивелирование (двойная рейка). При двойном нивелировании геодезист берет две передние и две задние точки и следит за тем, чтобы разница между передними и задними точками была одинаковой, тем самым уменьшая количество ошибок. [1] Двойное нивелирование стоит в два раза дороже одинарного. [2]
При использовании оптического уровня конечная точка может находиться вне зоны действия прибора. Между конечными точками могут быть препятствия или большие перепады высот. В таких ситуациях необходимы дополнительные настройки. Поворот — это термин, используемый для обозначения перемещения уровня для выполнения съемки высоты из другого места.
Чтобы «повернуть» уровень, нужно сначала снять показания и записать высоту точки, на которой находится стержень. Пока стержень находится в том же самом месте, уровень перемещается в новое место, где стержень все еще виден. Снимается показание с нового местоположения уровня, и разница высот используется для нахождения новой высоты нивелирного пистолета. Это повторяется до тех пор, пока серия измерений не будет завершена.
Уровень должен быть горизонтальным, чтобы получить правильное измерение. Из-за этого, если горизонтальное перекрестие инструмента находится ниже основания стержня, геодезист не сможет навести стержень и получить показания. Обычно стержень можно поднять на высоту до 25 футов, что позволяет установить уровень намного выше основания стержня.
Другой стандартный метод нивелирования в строительстве и геодезии называется тригонометрическим нивелированием , которое предпочтительнее при нивелировании "вне" на несколько точек от одной неподвижной точки. Это делается с помощью тахеометра или любого другого прибора для считывания вертикального или зенитного угла к рейке, а изменение высоты вычисляется с использованием тригонометрических функций (см. пример ниже). На больших расстояниях (обычно 1000 футов и более) при измерениях также необходимо учитывать кривизну Земли и преломление волны прибора через воздух (см. раздел ниже).
Пример: прибор в точке А, показывающий на рейке в точке В, зенитный угол < 88°15'22" (градусы, минуты, секунды дуги ) и наклонное расстояние 305,50 футов без учета высоты рейки или прибора будут рассчитаны следующим образом:
то есть изменение высоты между точками A и B составляет приблизительно 9,30 футов. Таким образом, если точка A находится на высоте 1000 футов, то точка B будет находиться на высоте приблизительно 1009,30 футов, поскольку линия отсчета (0°) для зенитных углов идет прямо вверх по часовой стрелке на один полный оборот, и поэтому показание угла менее 90 градусов (горизонтального или плоского) будет направлено вверх, а не вниз (и наоборот для углов более 90 градусов), и, таким образом, будет увеличиваться высота.
Кривизна Земли означает, что горизонтальная линия визирования на инструменте будет все выше и выше над сфероидом на больших расстояниях. Эффект может быть незначительным для некоторых работ на расстояниях менее 100 метров. Увеличение высоты прямой линии с расстоянием D равно:
где R — радиус Земли.
Линия визирования горизонтальна в приборе, но не является прямой линией из-за атмосферной рефракции . Изменение плотности воздуха с высотой заставляет линию визирования изгибаться в сторону земли.
Совокупная поправка на рефракцию и кривизну составляет приблизительно: [3]
Для точной работы эти эффекты необходимо рассчитать и применить поправки. Для большинства работ достаточно сохранять расстояния прямого и обратного визирования примерно равными, чтобы эффекты рефракции и кривизны компенсировались. Рефракция, как правило, является наибольшим источником ошибок при нивелировании. Для коротких линий уровня эффекты температуры и давления, как правило, незначительны, но эффект градиента температуры dT / dh может привести к ошибкам. [4]
Если предположить, что измерения безошибочны, то если бы гравитационное поле Земли было полностью регулярным, а гравитация постоянной, то контуры выравнивания всегда бы точно замыкались:
вокруг петли. В реальном гравитационном поле Земли это происходит лишь приблизительно; на небольших петлях, типичных для инженерных проектов, замыкание петли пренебрежимо мало, но на более крупных петлях, охватывающих регионы или континенты, это не так.
Вместо разностей высот разности геопотенциалов замыкаются вокруг петель:
где обозначает силу тяжести на интервале нивелирования i . Для точных сетей нивелирования в национальном масштабе следует всегда использовать последнюю формулу.
следует использовать во всех вычислениях, получая значения геопотенциала для эталонных показателей сети.
Высокоточное нивелирование, особенно проводимое на больших расстояниях, например, для установления и поддержания вертикальных реперных точек , называется геодезическим нивелированием .[5]
Нивелир с отвесными углами был разработан английским инженером-строителем Уильямом Граваттом во время обследования маршрута предполагаемой железнодорожной линии от Лондона до Дувра. Более компактный и, следовательно, более прочный и более удобный для транспортировки, он, как правило, считается менее точным, чем другие типы нивелирования, но это не так. Нивелирование с отвесными углами требует более коротких и, следовательно, более многочисленных визирований, но этот недостаток компенсируется практикой уравнивания передних и задних визирований.
Точные нивелирные конструкции часто использовались для крупных нивелирных проектов, где требовалась максимальная точность. Они отличаются от других нивелиров тем, что имеют очень точную трубку спиртового уровня и микрометрическую регулировку для поднятия или опускания линии визирования, чтобы перекрестие можно было совместить с линией на шкале стержня, и не требуется никакой интерполяции.
Автоматические уровни используют компенсатор , который гарантирует, что линия визирования остается горизонтальной после того, как оператор грубо выровнял инструмент (с точностью до 0,05 градуса). Компенсатор состоит из небольших призм, подвешенных на проводах внутри шасси уровня, которые соединены вместе в форме маятника. Это позволяет проникать только горизонтальным световым лучам, даже в случаях, когда телескоп инструмента не идеально отвесен. [6]
Геодезист быстро устанавливает инструмент и не должен тщательно выравнивать его каждый раз, когда он наводит рейку на другую точку. Это также уменьшает влияние незначительной усадки штатива на фактическое количество движения вместо того, чтобы использовать наклон на расстоянии визирования. Поскольку уровень инструмента нужно регулировать только один раз за установку, геодезист может быстро и легко считать столько боковых снимков, сколько необходимо между поворотами. Для выравнивания инструмента используются три винта уровня, в отличие от четырех винтов, которые исторически использовались в неровных уровнях.
Лазерные уровни [7] проецируют луч, который виден и/или обнаруживается датчиком на нивелирной штанге. Этот стиль широко используется в строительных работах, но не для более точных контрольных работ. Преимущество заключается в том, что один человек может выполнять нивелирование независимо, тогда как другие типы требуют одного человека у инструмента и одного человека, держащего штангу.
Датчик может быть установлен на землеройной технике для обеспечения автоматизированной сортировки .
одинарное нивелирование.
