Теодолит ( / θ i ˈ ɒ d ə ˌ l aɪ t / ) [1] — прецизионный оптический прибор для измерения углов между обозначенными видимыми точками в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Традиционно он использовался для геодезии , но он также широко используется для строительства зданий и инфраструктуры , а также в некоторых специализированных приложениях, таких как метеорология и запуск ракет . [2]
Он состоит из подвижного телескопа , установленного таким образом, чтобы он мог вращаться вокруг горизонтальной и вертикальной осей и обеспечивать считывание углов. Они указывают ориентацию телескопа и используются для связи первой точки, наблюдаемой через телескоп, с последующими наблюдениями других точек с того же положения теодолита. Эти углы могут быть измерены с точностью до микрорадианов или угловых секунд . По этим показаниям можно составить план или расположить объекты в соответствии с существующим планом. Современный теодолит превратился в так называемый тахеометр, где углы и расстояния измеряются электронным способом и считываются непосредственно в память компьютера.
В транзитном теодолите телескоп достаточно короток, чтобы вращаться вокруг оси цапфы , поворачивая телескоп в вертикальной плоскости через зенит ; для нетранзитных инструментов вертикальное вращение ограничивается ограниченной дугой.
Оптический уровень иногда ошибочно принимают за теодолит, но он не измеряет вертикальные углы и используется только для нивелирования в горизонтальной плоскости (хотя часто в сочетании с измерениями горизонтальной дальности и направления средней точности).
Временные настройки — комплекс операций, необходимых для подготовки теодолита к проведению наблюдений на станции. К ним относятся его настройка, центрирование, выравнивание и устранение параллакса и выполняются в четыре этапа:
Наблюдения производит геодезист, который регулирует вертикальную и горизонтальную угловую ориентацию телескопа так, чтобы перекрестие совпадало с желаемой точкой визирования. Оба угла считываются либо с открытых, либо с внутренних шкал и записываются. Затем осуществляется наблюдение и запись следующего объекта без изменения положения инструмента и штатива.
Самые ранние показания углов были получены с открытых шкал нониуса, непосредственно видимых глазом. Постепенно эти шкалы были закрыты для физической защиты и, наконец, стали устройствами непрямого оптического считывания с извилистыми световыми путями, позволяющими перенести их в удобное место на приборе для просмотра. Современные цифровые теодолиты имеют электронные дисплеи.
Ошибка индекса, ошибка горизонтальной оси ( ошибка оси поворота ) и ошибка коллимации регулярно определяются путем калибровки и устраняются механической регулировкой. Их наличие учитывается при выборе методики измерений с целью исключения их влияния на результаты измерений теодолита.
До появления теодолита такие инструменты, как грома , геометрический квадрат и диоптра , а также различные другие градуированные круги (см. Окружность ) и полукруги (см. Графометр ) использовались для получения измерений вертикального или горизонтального угла. Со временем их функции были объединены в один прибор, который мог измерять оба угла одновременно.
Первое упоминание слова «теодолит» встречается в учебнике геодезии «Геометрическая практика под названием Пантометрия» (1571 г.) Леонарда Диггеса . [3] Происхождение слова неизвестно. Первая часть неолатинского theo -delitus может происходить от греческого θεᾶσθαι , «созерцать или внимательно смотреть» [4]. Вторую часть часто приписывают ненаучному варианту греческого слова: δῆλος , что означает «очевидный». или «чисто». [5] [6] Были предложены другие неолатинские или греческие производные, а также английское происхождение от «алидаде » . [7]
Ранними предшественниками теодолита иногда были азимутальные инструменты для измерения горизонтальных углов, тогда как другие имели альтазимутальную монтировку для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Грегориус Райш проиллюстрировал альтазимутальный инструмент в приложении к своей книге 1512 года «Маргарита Философика» . [3] Мартин Вальдземюллер , топограф и картограф, изготовил устройство в том же году [8] , назвав его полиметрумом . [9] В книге Диггеса 1571 года термин «теодолит» применялся только к прибору для измерения горизонтальных углов, но он также описал инструмент, измеряющий как высоту, так и азимут, который он назвал топографическим инструментом [ sic ]. [10] Вероятно, первым инструментом, приближенным к настоящему теодолиту, был прибор, построенный Джошуа Хабемелем в 1576 году, в комплекте с компасом и штативом. [8] В Циклопедии 1728 года « графометр » сравнивается с «полутеодолитом». [11] Ещё в XIX веке прибор для измерения только горизонтальных углов назывался простым теодолитом , а альтазимутальный прибор — простым теодолитом . [12]
Первый инструмент, сочетающий в себе основные черты современного теодолита, был построен в 1725 году Джонатаном Сиссоном . [12] Этот прибор имел альтазимутальную монтировку с прицельным телескопом. На опорной плите имелись спиртовые уровни, компас и регулировочные винты. Круги считывались с помощью нониусной шкалы .
Теодолит стал современным и точным инструментом в 1787 году, с появлением знаменитого великого теодолита Джесси Рамсдена , который он создал с использованием очень точного делительного механизма собственной конструкции. [12] Инструменты Рамсдена использовались для Главной триангуляции Великобритании . В это время самые точные инструменты производились в Англии такими мастерами, как Эдвард Тротон . [13] Позже первые практические немецкие теодолиты были изготовлены Брайтауптом совместно с Утцшнейдером , Райхенбахом и Фраунгофером . [14]
По мере развития технологий вертикальный частичный круг был заменен полным кругом, а вертикальные и горизонтальные круги были тонко градуированы. Это был транзитный теодолит . Этот тип теодолита был разработан на основе астрономических транзитных инструментов 18-го века , которые использовались для измерения точного положения звезд. Эта технология была перенесена на теодолиты в начале 19 века такими производителями приборов, как Эдвард Тротон и Уильям Симмс [15] , и стала стандартной конструкцией теодолита. Разработка теодолита была вызвана конкретными потребностями. В 1820-х годах прогресс национальных геодезических проектов, таких как « Обзор боеприпасов» в Великобритании, вызвал потребность в теодолитах, способных обеспечить достаточную точность для крупномасштабной триангуляции и картографирования. В то время Исследование Индии вызвало потребность в более прочных и стабильных инструментах, таких как теодолит модели Эвереста с более низким центром тяжести.
Инженеры железнодорожного транспорта, работавшие в 1830-х годах в Великобритании, обычно называли теодолит «Транзитом». [16] 1840-е годы стали началом периода быстрого строительства железных дорог во многих частях мира, что привело к высокому спросу на теодолиты везде, где строились железные дороги. [17] Он также был популярен среди американских инженеров-железнодорожников, продвигавшихся на запад, и заменил железнодорожный компас , секстант и октант . Позже теодолиты были адаптированы для более широкого спектра креплений и применений. В 1870-х годах Эдвард Сэмюэл Ричи изобрел интересную водную версию теодолита (использующую маятниковое устройство для противодействия движению волн) . [18] Он использовался ВМС США для проведения первых точных исследований американских гаваней на побережьях Атлантического океана и Персидского залива. [19]
В начале 1920-х годов в конструкции теодолита произошли существенные изменения с появлением Wild T2 производства Wild Heerbrugg . Генрих Вильд разработал теодолит с разделенными стеклянными кругами, показания которых с обеих сторон подавались в один окуляр, расположенный рядом с телескопом, чтобы наблюдателю не приходилось перемещаться, чтобы их прочитать. Инструменты Wild были не только меньше, проще в использовании и точнее, чем их современные конкуренты, но и были защищены от дождя и пыли. Канадские геодезисты сообщили, что, хотя Wild T2 с кругами диаметром 3,75 дюйма не смог обеспечить точность первичной триангуляции, он был равен по точности 12-дюймовой традиционной конструкции. [20] Инструменты Wild T2, T3 и A1 производились на протяжении многих лет.
В 1926 году в Тавистоке в Девоне , Великобритания, прошла конференция , на которой теодолиты Уайлда сравнивались с британскими. Продукт Wild превзошел британские теодолиты, поэтому такие производители, как Cooke, Troughton & Simms и Hilger & Watts, приступили к повышению точности своей продукции, чтобы соответствовать конкурентам. Кук, Тротон и Симмс разработали теодолит Тавистокского образца, а затем и Vickers V. 22. [21]
Уайлд продолжил разработку DK1, DKM1, DM2, DKM2 и DKM3 для компании Kern Aarau. По мере постоянного совершенствования инструменты постепенно превратились в современный теодолит, используемый сегодня геодезистами. К 1977 году Уайлд, Керн и Hewlett-Packard предлагали «тахеометры», которые объединяли угловые измерения, электронные измерения расстояний и функции микрочипа в одном устройстве.
Триангуляция , изобретенная Джеммой Фризиус около 1533 года, состоит в построении графиков окружающего ландшафта в таких направлениях с двух разных точек зрения. Две миллиметровки накладываются друг на друга, образуя масштабную модель ландшафта или, скорее, целей в нем. Истинный масштаб можно получить, измерив одно расстояние как на реальной местности, так и в графическом представлении.
Современная триангуляция, которую, например, практиковал Снеллиус , представляет собой ту же самую процедуру, выполняемую численными средствами. Фотограмметрический блок уравнивания стереопар аэрофотоснимков – современный, трехмерный вариант.
В конце 1780-х годов Джесси Рамсдену , йоркширцу из Галифакса , Англия, который разработал делительную машину для деления угловых шкал с точностью до секунды дуги (≈ 0,0048 мрад или 4,8 мкрад), было поручено построить новый прибор для британцев. Артиллерийское обследование . Теодолит Рамсдена использовался в течение следующих нескольких лет для составления карты всей южной Британии методом триангуляции.
При сетевых измерениях использование принудительного центрирования ускоряет операции, сохраняя при этом высочайшую точность. Теодолит или мишень можно быстро снять с принудительной центрирующей пластины или вставить в нее с точностью до субмиллиметра. В настоящее время антенны GPS , используемые для геодезического позиционирования, используют аналогичную систему крепления. Высота опорной точки теодолита (или мишени) над наземной отметкой должна быть точно измерена.
Термин транзитный теодолит или сокращенно транзитный относится к типу теодолита, в котором телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться по полному кругу как по горизонтальной оси, так и вокруг вертикальной оси. Он имеет вертикальный круг с градуировкой на все 360 градусов и телескоп, который может «переворачиваться» («проходить через прицел»). Перевернув телескоп и в то же время повернув инструмент на 180 градусов вокруг вертикальной оси, инструмент можно использовать в режимах «пластина влево» или «пластина вправо» («пластина» относится к вертикальному транспортиру). Измеряя одинаковые горизонтальные и вертикальные углы в этих двух режимах и затем усредняя результаты, можно устранить ошибки центрирования и коллимации в приборе. Некоторые транзитные приборы способны считывать углы с точностью до тридцати угловых секунд (≈ 0,15 мрад ). Современные теодолиты обычно имеют конструкцию транзитного теодолита, но гравированные пластины были заменены стеклянными пластинами, предназначенными для считывания с помощью светодиодов и компьютерных схем, что значительно повышает точность до уровней угловых секунд (≈ 0,005 мрад ).
Существует долгая история использования теодолита для измерения ветра на высоте, с использованием специально изготовленных теодолитов для отслеживания горизонтальных и вертикальных углов специальных метеозондов, называемых потолочными шарами или пилотными шарами ( пибал ). Первые попытки сделать это были предприняты в первые годы девятнадцатого века, но инструменты и процедуры были полностью разработаны только сто лет спустя. Этот метод широко использовался во время Второй мировой войны и после нее, и начиная с 1980-х годов он постепенно был заменен измерительными системами радио и GPS.
В пибальном теодолите используется призма, изгибающая оптический путь на 90 градусов, поэтому положение глаз оператора не меняется при изменении угла наклона на полные 180 градусов. Теодолит обычно устанавливается на прочную стальную подставку, устанавливается горизонтально и направлен на север, а шкалы высоты и азимута показывают ноль градусов. Перед теодолитом выпускают воздушный шар, и его положение точно отслеживается, обычно раз в минуту. Воздушные шары тщательно сконструированы и наполнены, поэтому скорость их подъема может быть известна заранее довольно точно. Математические расчеты времени, скорости подъема, азимута и угловой высоты могут дать хорошие оценки скорости и направления ветра на различных высотах. [22]
В современных электронных теодолитах считывание горизонтальных и вертикальных окружностей обычно осуществляется поворотным энкодером . Они производят сигналы, указывающие высоту и азимут телескопа, которые подаются на микропроцессор. Датчики CCD были добавлены в фокальную плоскость телескопа , что позволяет осуществлять как автоматическое наведение, так и автоматическое измерение остаточного смещения цели. Все это реализовано во встроенном программном обеспечении процессора.
Многие современные теодолиты оснащены встроенными электрооптическими дальномерными устройствами, обычно на основе инфракрасного излучения , позволяющими измерять за один этап полные трехмерные векторы , хотя и в полярных координатах , определяемых прибором , которые затем можно преобразовать в уже существующую систему координат в территории с помощью достаточного количества контрольных точек. Этот метод называется решением обратной засечки или съемкой положения свободной станции и широко используется при картографической съемке.
Такие инструменты представляют собой «интеллектуальные» теодолиты, называемые тахеометрами с саморегистрацией или в просторечии « тахеометры », и выполняют все необходимые расчеты углов и расстояний, а результаты или необработанные данные могут быть загружены на внешние процессоры, такие как защищенные ноутбуки , КПК или программируемые устройства . калькуляторы . [23]
Гиротеодолит используется, когда требуется опорное направление меридиана с севера на юг при отсутствии астрономических звездных визирований . Это происходит главным образом в подземной горнодобывающей промышленности и при строительстве туннелей. Например, если трубопровод должен проходить под рекой, вертикальная шахта на каждой стороне реки может быть соединена горизонтальным туннелем. Гиротеодолит можно использовать на поверхности, а затем снова у подножия шахт, чтобы определить направления, необходимые для прокладки туннеля между основанием двух шахт. В отличие от авиагоризонта или инерциальной навигационной системы, гиротеодолит нельзя перемещать во время его работы. Его необходимо перезапустить снова на каждом сайте.
Гиротеодолит представляет собой обычный теодолит с приставкой, содержащей гирокомпас , устройство, которое определяет вращение Земли, чтобы определить истинный север и, таким образом, в сочетании с направлением силы тяжести, плоскость меридиана. Меридиан — это плоскость, содержащая как ось вращения Земли, так и наблюдателя. Пересечение плоскости меридиана с горизонталью определяет найденное таким образом истинное направление север-юг. В отличие от магнитных компасов , гирокомпасы способны определять истинный север, направление поверхности к северному полюсу.
Гиротеодолит будет функционировать на экваторе, а также в северном и южном полушариях. Меридиан на географических полюсах не определен. Гиротеодолит нельзя использовать на полюсах, где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси спиннера; более того, он обычно не используется в пределах примерно 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком велик. маленький, чтобы он работал надежно. Астрономические звездные прицелы, если они доступны, способны определить направление меридиана с точностью, более чем в сто раз превышающей точность гиротеодолита. Там, где такая дополнительная точность не требуется, гиротеодолит способен быстро дать результат без необходимости ночных наблюдений.
СМИ, связанные с теодолитами, на Викискладе?
