Теодолит ( / θ i ˈ ɒ d ə ˌ l aɪ t / ) [1] — это точный оптический прибор для измерения углов между обозначенными видимыми точками в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Традиционно он использовался для топографической съемки , но 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 так, что он может вращаться вокруг горизонтальной и вертикальной осей и обеспечивать угловые показания. Они указывают ориентацию телескопа и используются для соотнесения первой точки, наведенной через телескоп, с последующими наведениями на другие точки из того же положения теодолита. Эти углы могут быть измерены с точностью до микрорадиан или угловых секунд . Из этих показаний можно составить план или расположить объекты в соответствии с существующим планом. Современный теодолит превратился в то, что известно как тахеометр, где углы и расстояния измеряются электронным способом и считываются непосредственно в память компьютера.
В транзитном теодолите зрительная труба достаточно коротка, чтобы вращаться вокруг оси цапфы , поворачивая телескоп в вертикальной плоскости через зенит ; для нетранзитных инструментов вертикальное вращение ограничено ограниченной дугой.
Оптический уровень иногда ошибочно принимают за теодолит, но он не измеряет вертикальные углы и используется только для нивелирования на горизонтальной плоскости (хотя часто в сочетании с измерениями горизонтальной дальности и направления средней точности).
Временные настройки — это набор операций, необходимых для подготовки теодолита к проведению наблюдений на станции. Они включают его настройку, центрирование, нивелирование и устранение параллакса и выполняются в четыре этапа:
Визии производятся геодезистом, который регулирует вертикальную и горизонтальную угловую ориентацию телескопа так, чтобы перекрестье совпадало с желаемой точкой визирования. Оба угла считываются либо с открытой, либо с внутренней шкалы и записываются. Затем визируется и записывается следующий объект, не меняя положения инструмента и штатива.
Самые ранние угловые отсчеты были сделаны с открытых нониусных шкал, непосредственно видимых глазом. Постепенно эти шкалы были закрыты для физической защиты и, наконец, стали косвенными оптическими отсчетами, с извилистыми световыми путями, чтобы доставить их в удобное место на инструменте для просмотра. Современные цифровые теодолиты имеют электронные дисплеи.
Погрешность индекса, погрешность горизонтальной оси ( погрешность оси цапфы ) и погрешность коллимации регулярно определяются калибровкой и устраняются механической юстировкой. Их наличие учитывается при выборе процедуры измерения с целью устранения их влияния на результаты измерений теодолита.
До появления теодолита для получения вертикальных или горизонтальных угловых измерений использовались такие инструменты, как грома , геометрический угольник и диоптры , а также различные другие градуированные круги (см. циркумферентор ) и полукруги (см. графометр ). Со временем их функции были объединены в один инструмент, который мог измерять оба угла одновременно.
Первое упоминание слова «теодолит» встречается в учебнике по геодезии «Геометрическая практика под названием Pantometria» (1571) Леонарда Диггеса . [3] Происхождение слова неизвестно. Первая часть неолатинского theo-delitus может происходить от греческого θεᾶσθαι , «созерцать или внимательно смотреть на» [4] Вторая часть часто приписывается ненаучному варианту греческого слова: δῆλος , что означает «очевидный» или «ясный». [5] [6] Были предложены другие неолатинские или греческие производные, а также английское происхождение от «alidade » . [7]
Ранние предшественники теодолита иногда были азимутальными инструментами для измерения горизонтальных углов, в то время как другие имели альтазимутальное крепление для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Грегориус Райш проиллюстрировал альтазимутальный инструмент в приложении к своей книге 1512 года Margarita Philosophica . [3] Мартин Вальдземюллер , топограф и картограф, создал устройство в том же году [8], назвав его полиметром . [9] В книге Диггеса 1571 года термин «теодолит» применялся к инструменту для измерения только горизонтальных углов, но он также описал инструмент, который измерял как высоту, так и азимут, который он назвал топографическим инструментом [ sic ]. [10] Возможно, первым инструментом, приближающимся к настоящему теодолиту, был построенный Джошуа Хабемелем в 1576 году, в комплекте с компасом и штативом. [8] В «Энциклопедии» 1728 года « графометр » сравнивается с «полутеодолитом». [11] Еще в XIX веке инструмент для измерения только горизонтальных углов назывался простым теодолитом , а альтазимутальный инструмент — простым теодолитом . [12]
Первый инструмент, сочетающий в себе основные черты современного теодолита, был построен в 1725 году Джонатаном Сиссоном . [12] Этот инструмент имел альтазимутальную монтировку с прицельной трубой. На базовой пластине были спиртовые уровни, компас и регулировочные винты. Круги считывались с помощью шкалы нониуса .
Теодолит стал современным точным инструментом в 1787 году с появлением знаменитого большого теодолита Джесси Рамсдена , который он создал с использованием очень точной делительной машины собственной конструкции. [12] Инструменты Рамсдена использовались для Главной триангуляции Великобритании . В это время самые точные инструменты изготавливались в Англии такими мастерами, как Эдвард Троутон . [13] Позже первые практические немецкие теодолиты были изготовлены Брайтхауптом совместно с Утцшнайдером , Райхенбахом и Фраунгофером . [14]
По мере развития технологий вертикальный неполный 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 точных положений звезд. Технология была перенесена на теодолиты в начале 19-го века такими производителями инструментов, как Эдвард Троутон и Уильям Симмс [15], и стала стандартной конструкцией теодолита. Развитие теодолита было стимулировано конкретными потребностями. В 1820-х годах прогресс в национальных геодезических проектах, таких как Ordnance Survey в Великобритании, вызвал потребность в теодолитах, способных обеспечить достаточную точность для крупномасштабной триангуляции и картирования. Survey of India в это время вызвал потребность в более прочных и устойчивых инструментах, таких как теодолит модели Everest с его более низким центром тяжести.
Инженеры-железнодорожники, 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 . Позднее 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 обследований американских гаваней на побережье Атлантики и залива. [19]
В начале 1920-х годов произошел кардинальный сдвиг в конструкции теодолита с появлением Wild T2, произведенного швейцарской компанией Wild Heerbrugg . Генрих Вильд спроектировал теодолит с разделенными стеклянными кругами, показания с обеих сторон которого отображались на одном окуляре, расположенном близко к телескопу, так что наблюдателю не приходилось двигаться, чтобы их считать. Инструменты Wild были не только меньше, проще в использовании и точнее, чем современные им конкуренты, но и защищены от дождя и пыли. Канадские геодезисты сообщили, что хотя Wild T2 с 3,75-дюймовыми кругами не мог обеспечить точность первичной триангуляции, он был равен по точности 12-дюймовому традиционному дизайну. [20] Инструменты Wild T2, T3 и A1 производились в течение многих лет.
В 1926 году в Тавистоке (Девон , Великобритания) прошла конференция , на которой теодолиты Wild сравнивались с британскими. Продукция Wild превзошла британские теодолиты, поэтому такие производители, как Cooke, Troughton & Simms и Hilger & Watts, занялись повышением точности своей продукции, чтобы соответствовать конкурентам. Cooke, Troughton и Simms разработали теодолит с рисунком Тавистока, а затем и Vickers V. 22. [21]
Wild продолжил разработку DK1, DKM1, DM2, DKM2 и DKM3 для компании Kern Aarau. С постоянными усовершенствованиями приборы постепенно эволюционировали в современный теодолит, используемый геодезистами сегодня. К 1977 году Wild, Kern и Hewlett-Packard предлагали «Total stations», которые объединяли угловые измерения, электронное измерение расстояния и функции микрочипа в одном устройстве.
Триангуляция , изобретенная Джеммой Фризиус около 1533 года, заключается в создании таких диаграмм направления окружающего ландшафта с двух отдельных точек. Две графические бумаги накладываются друг на друга, предоставляя масштабную модель ландшафта или, скорее, целей на нем. Истинный масштаб может быть получен путем измерения одного расстояния как на реальной местности, так и в графическом представлении.
Современная триангуляция, например, практикуемая Снеллиусом , представляет собой ту же процедуру, выполняемую численными средствами. Фотограмметрическая блочная корректировка стереопар аэрофотоснимков является современным трехмерным вариантом.
В конце 1780-х годов Джесси Рамсден , йоркширец из Галифакса , Англия, который разработал делительный механизм для деления угловых шкал с точностью до секунды дуги (≈ 0,0048 мрад или 4,8 мкрад), получил заказ на создание нового инструмента для Британского управления артиллерийского надзора . Теодолит Рамсдена использовался в течение следующих нескольких лет для картографирования всей южной Британии методом триангуляции.
В сетевых измерениях использование принудительного центрирования ускоряет операции, сохраняя при этом высочайшую точность. Теодолит или цель можно быстро снять или вставить в пластину принудительного центрирования с точностью до миллиметра. В настоящее время антенны GPS, используемые для геодезического позиционирования, используют похожую систему крепления. Высота опорной точки теодолита — или цели — над наземным репером должна быть измерена точно.
Термин транзитный теодолит , или транзитный для краткости, относится к типу теодолита, в котором телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться по полной окружности как по горизонтальной оси, так и вокруг вертикальной оси. Он имеет вертикальный круг, который градуирован на все 360 градусов, и телескоп, который может «переворачиваться» («переворачивать область действия»). Перевернув телескоп и одновременно повернув инструмент на 180 градусов вокруг вертикальной оси, инструмент можно использовать в режимах «пластина-влево» или «пластина-вправо» («пластина» относится к вертикальному кругу транспортира). Измеряя одни и те же горизонтальные и вертикальные углы в этих двух режимах, а затем усредняя результаты, можно устранить ошибки центрирования и коллимации в инструменте. Некоторые транзитные инструменты способны считывать углы непосредственно до тридцати угловых секунд (≈ 0,15 мрад ). Современные теодолиты, как правило, 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 уровня угловой секунды (≈ 0,005 мрад ).
Существует долгая история использования теодолита для измерения ветра на высоте, путем использования специально изготовленных теодолитов для отслеживания горизонтальных и вертикальных углов специальных метеозондов, называемых потолочными шарами или шарами-пилотами ( пибалами ). Первые попытки сделать это были сделаны 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 был постепенно заменен радио- и GPS-измерительными системами с 1980-х годов.
Теодолит pibal использует призму для изгиба оптического пути на 90 градусов, так что положение глаз оператора не меняется при изменении высоты на полные 180 градусов. Теодолит обычно устанавливается на прочной стальной стойке, устанавливается так, чтобы он был ровным и указывал на север, а шкалы высоты и азимута показывали ноль градусов. Воздушный шар выпускается перед теодолитом, и его положение точно отслеживается, обычно раз в минуту. Воздушные шары тщательно изготавливаются и заполняются, поэтому скорость их подъема может быть известна достаточно точно заранее. 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 горизонтального и вертикального кругов обычно осуществляется с помощью вращающегося энкодера . Они вырабатывают сигналы, указывающие высоту и азимут телескопа, которые подаются на микропроцессор. Датчики CCD были добавлены в фокальную плоскость телескопа , что позволяет как осуществлять 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, как правило, инфракрасного типа, что позволяет производить измерение за один шаг полных трехмерных векторов — хотя и в полярных координатах , определяемых прибором , которые затем можно преобразовать в уже существующую систему координат в данной области с помощью достаточного количества контрольных точек. Этот метод называется решением обратной засечки или съемкой положения свободной станции и широко используется в картографической съемке.
Такие приборы представляют собой «интеллектуальные» теодолиты, называемые саморегистрирующими тахеометрами или, в просторечии, « тахеометрами », и выполняют все необходимые угловые и расчёты расстояний, а результаты или необработанные данные могут быть загружены на внешние процессоры, такие как защищённые ноутбуки , КПК или программируемые калькуляторы . [23]
Гиротеодолит используется , когда требуется опорный пеленг север-юг меридиана при отсутствии астрономических звездных прицелов. Это происходит в основном в подземной горнодобывающей промышленности и при строительстве туннелей. Например, там, где трубопровод должен проходить под рекой, вертикальные шахты на каждой стороне реки могут быть соединены горизонтальным туннелем. Гиротеодолит может работать на поверхности, а затем снова у подножия шахт, чтобы определить направления, необходимые для прокладки туннеля между основаниями двух шахт. В отличие от искусственного горизонта или инерциальной навигационной системы, гиротеодолит нельзя перемещать во время работы. Его необходимо перезапускать снова на каждом участке.
Гиротеодолит состоит из обычного теодолита с насадкой, которая содержит гирокомпас , устройство, которое определяет вращение Земли, чтобы найти истинный север и, таким образом, в сочетании с направлением силы тяжести, плоскость меридиана. Меридиан — это плоскость, которая содержит как ось вращения Земли, так и наблюдателя. Пересечение плоскости меридиана с горизонталью определяет истинное направление север-юг, найденное таким образом. В отличие от магнитных компасов , гирокомпасы способны найти истинный север, поверхностное направление к северному полюсу.
Гиротеодолит будет работать на экваторе и в северном и южном полушариях. Меридиан не определен на географических полюсах. Гиротеодолит не может использоваться на полюсах, где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси вертушки, более того, он обычно не используется в пределах около 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком мал для его надежной работы. Когда доступны астрономические звездные прицелы, они способны дать меридиональный пеленг с точностью, превышающей в сто раз точность гиротеодолита. Там, где эта дополнительная точность не требуется, гиротеодолит способен быстро выдавать результат без необходимости ночных наблюдений.
Медиа, связанные с теодолитами на Wikimedia Commons
_Richtkreis_Zeiss_Rk_76_A1_in_Transportbeh%C3%A4lter_mit_Zubeh%C3%B6r_-_1970er_Jahre.jpg/1280px-Bundeswehr_(Bund)_Richtkreis_Zeiss_Rk_76_A1_in_Transportbeh%C3%A4lter_mit_Zubeh%C3%B6r_-_1970er_Jahre.jpg)
