Что такое нивелирование в геодезии
Что такое нивелирование?
Нивелирование- метод определение превышения, т.е. разности высот между двумя или более точками поверхности.
Способы нивелирования
Геометрическое нивелирование
Такое нивелирование производится с помощью нивелира и вертикальной рейки, т.е. горизонтальным лучом визирования. Это самый популярный метод нивелирования, так как является самым простым и универсальным. С помощью него создана государственная нивелирная сеть и высотные сети различного значения. Ограничен высотой рейки, поэтому неудобен для использования в горной местности. Существует 2 метода нивелирования «из середины» и «вперед». Более удобным и точным считается первый способ, так как нет необходимости определять высоту прибора.
Точность однократного измерения такого метода нивелирования составляет:
При техническом нивелировании от 1-2 мм, до 0,1 мм при нивелировании I класса.
Тригонометрическое нивелирование
В основе способа лежит линейно-угловая засечка. Для измерений используются угломерные приборы, такие как теодолит и тахеометр. Превышение определяют с помощью измерения угла наклона и расстояния. Такой метод нашел широкое применение в строительстве, используется для создания картограммы земляных работ, при топографических съемках и др. Точность измерений до 3 мм, но может быть ограничена в горной местности из-за преломления отвесных линий.
Барометрическое нивелирование
Прибором для измерения служит барометр. Измерения происходят за счет определения разности атмосферного давления на различных высотах. Для определения превышения в точке с известной высотой измеряют температуру и атмосферное давление, тоже самое делают в искомой точке. По разности показателей определяют высоту. Метод используют геологи и геофизики в труднодоступных местах. Невысокая точность измерений (не более 0,5м) не позволяет использовать метод в строительстве.
Гидростатическое нивелирование
Для измерений используют свойства жидкости в сообщающихся сосудах. Жидкость всегда находится на одном уровне в них, вне зависимости от высоты. Высокая точность измерений (0,1 мм) позволяет использовать гидростатические нивелиры в строительных работах, при наблюдении за деформациями сооружений и т.д. Возможно использование на расстоянии, ограниченном длиной трубок, соединяющих сосуды.
Радиолокационное нивелирование
Производится с помощью установленных на воздушных и водных суднах эхолотов и высотомеров. С их помощью автоматически определяется профиль пройденного пути.
Спутниковое нивелирование
Для проведения используются GNSS-приемники. Превышения определяются с помощью измерений аппаратурой, использующей спутниковые системы ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo, QZSS, SBAS и т.д. Точность определения превышений статическим методом может достигать первых миллиметров. Может применяться для создания сетей сгущения, топографических съемок и других видов работ.
Классы нивелирования
В России для определения высот используется государственная нивелирная сеть I, II, III и IV классов. Она предназначена для обозначения единой высоты на территории всей страны, используется для инженерно-геодезических и топографических работ. Нивелирная сеть I и II классов является главной высотной основой Российской Федерации. Для создания этих сетей используются специальные программы и самое современное геодезическое оборудование. Помимо определения единой системы высот так же выполняет задачи по изучению поверхности Земли и гравитационного поля, движения земной коры и т.д. Сеть I класса является наиболее точной и служит исходной для сетей следующего класса.
Помимо государственной нивелирной сети нивелирование с точностью II, III и IV класса применяется при геодезическом сопровождении строительства и эксплуатации сооружений, железнодорожных работах.
В работах где не так важна высокая точность допустимо применение технического нивелирования, точность такого нивелирования 50мм√L.Например, на изыскательных работах при строительстве дорог или для определения высот при строительстве. Для осуществления технического нивелирования допустимо использование точных или технических нивелиров, а также нивелирных реек шашечного типа.
Инструменты для проведения нивелирования
В зависимости от выбранного метода нивелирования и поставленных задач необходимо выбрать оборудование. Это могут быть оптические, цифровые и лазерные нивелиры, тахеометры, теодолиты. Для достижения максимальной точности оборудование должно быть высокого качества и от проверенных производителей. Инженеры компании «Геодезия и Строительство» помогут выбрать среди разнообразия инструментов, а также проведут обучение при необходимости.
Виды нивелирных ходов
Нивелирование – определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки («нуля высот») или над уровнем моря. Нивелирование является одним из видов геодезических измерений, которые производятся для создания высотной опорной геодезической сети, при топографической съёмке, а также в целях проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, железных и шоссейных дорог и т.д. Результаты нивелирования используются в научных исследованиях по изучению фигуры Земли, колебаний уровней морей и океанов, вертикальных движений земной коры и т.п.
При анализе и сопоставлении результатов измерений, можно точно отобразить рельеф на топографических картах, разработать проекты организационно-строительной деятельности.
Работы по измерению разности высот называется нивелиром.
Современные нивелиры по конструкции делятся на три вида:
• Оптический нивелир;
• Цифровой нивелир;
• Лазерный нивелир.
Каждый из видов имеет свои конструктивные особенности, сферу использования и точность измерения.
Виды нивелирования
В настоящий момент применяют семь разновидностей выполнения измерений. Каждый вид зависит от конкретного случая и сложности выполнения поставленных задач.
Геометрическое нивелирование
Геометрическое нивелирование – метод определения превышений путем визирования горизонтальным лучом. Сущность геометрического нивелирования сводится к определению превышений между точками горизонтальным лучом.
Чтобы выполнить такое измерение, нужен горизонтальный луч визирования и отсчетная шкала. Такой луч генерируется при помощи нивелира, а отсчетной шкалой является рейка со шкалой.
При этом виде нивелирования, превышения между точками получают как разность отсчетов по рейкам при горизонтальном положении визирной оси нивелира. Этот метод является наиболее простым и точным, но позволяет одной постановки прибора получить превышения не более длины рейки, поэтому при больших высотных перепадах местности его эффективность и точность падают.
По способу определения планового положения снимаемых очертаний и нивелируемых точек выделяют следующие методики нивелирования поверхности:
• по квадратам (при условии гладкой местности);
• по параллельным линиям (в лесистой местности);
• по магистралям (при выраженном рельефе).
Барометрическое нивелирование
Барометрическое нивелирование – один из методов нивелирования, основанный на установленной Блезом Паскалем в 1647 связи давления воздуха с высотой точки над уровнем моря
Метод необходим, чтобы измерить превышение перепада атмосферного давления. Измерения проводятся в разных отметках необходимой территории.
Данный метод, основывается на использовании зависимости между атмосферным давлением и высотой точек на местности. В этом методе не требуется взаимная видимость между точками, но точность барометрического нивелирования сравнительно невысока из-за недостаточно точного учета влияния многих факторов, связанных с физикой атмосферы и другими причинами.
В данном методе используются барометр. Им измеряют давление и, сопоставляя показатели, определяется превышение. Из-за зависимости полученных измерений от погодообразования, погрешность может варьироваться от полуметра до двух. Данный метод применяется на начальном этапе работ.
Тригонометрическое нивелирование
Тригонометрическое нивелирование – метод определения разностей высот точек (превышений) на какой либо поверхности основанный на простой связи угла наклона визирного луча и расстоянием между точками.
Чтобы измерить вертикальные углы, применяют геодезическое оборудование: тахеометр, теодолит – чтобы определить угол наклона, дальномер – измерить расстояние. Погрешность – максимум 40 мм на 100 м. Ограниченно применение в горной и холмистой местности.
Гидростатическое нивелирование
Гидростатическое нивелирование – определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки с помощью сообщающихся сосудов с жидкостью.
Жидкость в емкости устанавливается по одному уровню, а поверхность расположена под прямым углом по направлению к силе тяжести, что дает возможность определить превышение. Применяется, чтобы получить небольшие измерения. Погрешность сопоставима с геометрическим нивелированием.
Стереофотограмметрическое нивелирование
Стереофотограмметрическое нивелирование – это определение высот точек местности посредством измерения стереопар аэрокосмических и наземных снимков, при помощи наземной (теодолит со встроенным фотоаппаратом) и летательной техники (аэрофотоаппарат).
Это основной метод, применяемый для топографии и картографии местности.
Механическое нивелирование
Механическое нивелирование – определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки методом автоматического вычерчивания профиля местности и измеряемому расстоянию.
Применяется в качестве контроля расположения автомобильных, железных дорог и прочих линейных конструкций.
При помощи особых датчиков, зафиксированных на транспорте, на листе вырисовывается профиль местности.
Радиолокационное нивелирование
Радиолокационное нивелирование – вид геодезических измерений основанный на методе получения абсолютных высот с летательных аппаратов, используя специальные высотометры.
Основные способы нивелирования
Выделяют пару способов, они отличаются от положения нивелира в нивелируемых точках:
Нивелирование из середины. Нивелир ставится посередине между заданными точками, в самих точках рейки. Точка А – задняя, В – передняя.
Визирная ось нивелира приводится в горизонтальное положение и поочередно наводится на А, а потом на В, получаются расчеты а и b. Формула превышения между точками: h = a — b;
Нивелирование вперед. Над точкой А устанавливается нивелир таким образом, чтобы визир находился на одной отвесной линии с точкой. Рейка устанавливается на точке В. Измеряется высота i над точкой А и берется отсчет b по рейке. Формула превышения между точками: h = i — b.
Выполняя последовательное нивелирование – получается нивелирный ход.
В данной статье рассмотрим понятие, виды нивелирования, где и как они применяются. Слово заимствованно из немецкого (nivelieren) и французского (niveleur) языков.
Значение слова – определять разность высот, к нему подходят синонимы – «сглаживать», «уравнивать».
Что такое нивелирование
Нивелирование – комплекс замеров, применяемых в геодезии. Оно используется, чтобы определить перепад высот между двумя или более точками. Таким образом выявляется превышение.
Применяя нивелирование и сопоставляя результаты измерений, можно в точности отобразить рельеф на топографических картах, разработать проекты организационно-хозяйственной деятельности.
Прибор, применяемый для измерения разности высот, называется нивелиром. Его устанавливают на подставку и винтами регулируется уровень.
Подразделяются на высокоточные (для работ I и II классов), точные (III и IV), технические (инженерно-технические исследования).
Виды нивелирования
В настоящий момент применяют семь разновидностей выполнения измерений. Каждый вид зависит от конкретного случая.
Геометрическое нивелирование
Чтобы выполнить такое измерение, нужен горизонтальный луч визирования и отсчетная шкала. Такой луч генерируется при помощи нивелира, а отсчетной шкалой является рейка со шкалой.
Такой вид самый распространенный и не сложный. Точность данного вида велика и риск в просчетах достигает максимум 1 мм на 1 км расстояния. Такой вид используется при геодезических работах для нивелирования поверхности.
По способу определения планового положения снимаемых очертаний и нивелируемых точек выделяют следующие методики нивелирования поверхности:
по квадратам (при условии гладкой местности);
по параллельным линиям (в лесистой местности);
по магистралям (при выраженном рельефе).
Барометрическое нивелирование
Метод необходим, чтобы измерить превышение перепада атмосферного давления. Измерения проводятся в разных отметках необходимой территории.
В данном методе пользуются барометр. Им измеряют давление и, сопоставляя показатели, определяется превышение.
В барометрическом методе нивелирования точность исследований невысокая, так как вид исследований зависит от погодообразования, и погрешность может варьироваться от полуметра до двух.
Данный метод применяется на начальном этапе работ.
Тригонометрическое нивелирование
Используя такой вид, вычисление превышения измеряют путем наклонного угла визирования к горизонту.
Чтобы измерить вертикальные углы, применяют геодезическое оборудование: теодолит – чтобы определить угол наклона, дальномер – измерить расстояние.
Погрешность – максимум 40 мм на 100 м. Ограниченно применение в горной и холмистой местности.
Гидростатическое нивелирование
Вид измерения, который основывается на методе свойства сообщающихся сосудов.
Жидкость в емкости устанавливается по одному уровню, а поверхность расположена под прямым углом по направлению к силе тяжести, что дает возможность определить превышение.
Применяется, чтобы получить небольшие измерения. Погрешность сопоставима с геометрическим нивелированием.
Стереофотограмметрическое нивелирование
Это основной метод, применяемый для топографии и картографии местности.
Механическое нивелирование
Применяется в качестве контроля расположения железнодорожных дорог и прочих линейных конструкций.
При помощи особых датчиков, зафиксированных на транспорте, на листе вырисовывается профиль местности.
Радиолокационное нивелирование
Основа метода заключается в получении абсолютных высот с летательных аппаратов, используя специальные высотометры.
Основные способы нивелирования
Выделяют пару способов, они отличаются от положения нивелира в нивелируемых точках:
Нивелирование из середины. Нивелир ставится посередине между заданными точками, в самих точках рейки. Точка А – задняя, В – передняя.
Визирная ось нивелира приводится в горизонтальное положение и поочередно наводится на А, а потом на В, получаются расчеты а и b. Формула превышения между точками: h = a — b;
Нивелирование вперед. Над т. А устанавливается нивелир таким образом, чтобы визир находился на одной отвесной линии с точкой. Рейка устанавливается на т. В.
Измеряется высота i над точкой А и берется отсчет b по рейке. Формула превышения между точками: h = i — b.
Выполняя последовательное нивелирование – получается нивелирный ход.
Нивелирование проводится, чтобы изучить рельеф, определить высоту точек в стадии проектировании, применяется при сооружении и эксплуатации инженерных конструкций.
Показатели нивелирования вносят огромный вклад в решении главных научных целей не только в геодезии, но и в других науках о Земле.
Нивелирование в геодезии
Современное строительство похоже на масштабное производство какого – ни будь завода автогиганта, где существует масса отдельных производственных конвейеров, готовящих узлы будущего автомобиля. Кто-то собирает двигатель, а другие специалисты, к примеру, управляют процессом автоматической сварки кузова. Но и там и здесь четкое взаимодействие групп специалистов направлено на достижение конечного результата – производство технически сложного изделия, к примеру, машины, здания или сооружения.
От их слаженной подконтрольной работы зависит не только качественный результат, но и в первую очередь безопасность людей, которым впоследствии предстоит эксплуатация объекта. Применительно конкретно к строительству это означает точность заранее выверенных точек, горизонтали и вертикальных плоскостей. Да, профессия геодезиста высококвалифицированный труд, поскольку подразумевает владение точными, дорогими и технически сложными приборами, такими как электронный теодолит и т.д.
Но все же, для большинства строителей, хорошей практикой контроля качества работ, послужит регулярное применение более простого в обращении устройства, получившего название нивелир. К примеру, разметить высоты на строительном участке, согласно плану, будет основной частью геодезических работ. Изучив рельеф местности, строители получат необходимую информацию для оптимального выбора места под котлован и расчета точек сброса (вывода) сточных вод.
Таким образом, основной задачей нивелирования можно назвать определение разницы точек будущего здания по отношению к земле по высоте. Получив данные о отметке цоколя здания, легко рассчитать точку вывода сточной воды или же привязать по месту врезку стока канализации.
Для осуществления контроля над ходом строительных работ, у мастера прораба, могут быть разные приборы локального значения, но они не дадут общей информации по всему объекту. Так, к примеру, для определения влажности строительных материалов существуют так называемые гигрометры. Но с его помощью невозможно определить степень критического увеличения всего здания.
С помощью нивелира реально точно снять значения высот по периметру здания и затем сравнить их с контрольными точками. На фасады здания по всему периметру устанавливаются специальные маркеры, затем высчитывают превышение между ними. Таким образом, допустимым показателем можно считать нахождение всех маркеров в одной плоскости с учетом допустимых отклонений. Если это так, значит, здание можно эксплуатировать дальше, в противном случае обнаруживается просадка и возможно потребуется эвакуация.
Нивелировка и ее методы
В целом все виды превышений можно сгруппировать на основные (преимущественные) и дополнительные. Основные подразумевают:
В качестве дополнительных методов нивелирования используют:
В качестве примера можно привести аэрофотосъемку современного микрорайона. Осуществив привязку четких контуров снятой местности к системе координат, можно получить трехмерную модель, с определением точек высот с использованием метода интерполяции.
Инструментарий геометрической нивелировки
Как было указано данный тип работ проводиться с помощью нивелира. Он представляет классический прибор с оптико-механической начинкой, обеспечивающий горизонт для визирного луча. Прибор монтируется на штативе и выставляется в точку стояния, затем при помощи специальных винтов выводиться в горизонтальную плоскость. Трубка нивелира бывает двух видов, прямого и обратного изображения. Трубкой прямого изображения оснащаются в основном нивелиры современного типа.
Приборы старого образца, хоть и имеют систему обратного изображения, но имеют отличную видимость. К тому же при работе с трубками обратного изображения применяется измерительная линейка в перевернутом виде и система поворотных линз. Стоимость таких приборов высока, да к тому же система линз для поворота изображения страдает одним недостатком. В условии рефракции наблюдаются незначительные искажения объектов, при использовании в жаркий период года.
Как можно наблюдать все нивелиры имеют маркировку буквами, основная из которых Н. Она собственно означает слово нивелир. Цифры означают погрешность (среднеквадратическую) в миллиметрах, на километр расстояния. Буквы Л и К означают лимб, а так же компенсатор, указывающие на конструктивную особенность нивелиров.
Компенсаторы предназначены для устранения погрешности при установке нивелиров, и бывают ручного и автоматического типа. То есть, вывод в горизонтальную плоскость при ручном компенсаторе выполняется непосредственно человеком, а при автоматическом соответственно самовыравниванием.
Принципиальные основы геометрического нивелирования
При работе с нивелиром существует ряд методов позволяющих эффективно добиваться точного результата:
В основе каждого из них лежит свой принцип работы. Так первый способ подразумевает отсчет показаний по геодезическим рейкам, которые устанавливаются в точках стояния, сзади и спереди нивелира. Затем снимаются данные разницы превышения и записываются в журнал. Способ расположения нивелира по отношению к рейкам получил название «метод нивелирования из середины», который является основным методом при строительстве.
Данный метод основан на принципе отсчета, по аналогии с теодолитным ходом, ведущимся с заранее известных высот, называемых реперами. Принцип хорошо иллюстрирует картинка, где есть точки А и Б. Естественно разница между точками по рекам составляет превышение, которое может быть как отрицательным, так и положительным. Данные одного превышения на местности, на практике нельзя считать окончательным, поскольку для объективной картины ее рельефа, необходимо снять как можно больше таких превышений.
Система сравнивания высот, применяемая в топографических планах, носит название «Балтийская». Она имеет начальную точку нуля Кронштадтского футштока, который в свою очередь находится на балтийском побережье. В данном случае на картинке, абсолютная высота (точка Б) рассчитывается, как h = А + а – б. Точка А – это отметка государственной системы высот, а считывание с реек ведется по отрезкам а, б.
Нивелирование методом «вперед» основано на использовании прибора и одной рейки, устанавливаемой перед ним. Сам нивелир устанавливается на заранее известную точку, а формула, по которой рассчитывается превышение, имеет вид:
h = А + i – б, где i — высота нивелира, измеряемая рулеткой. Такой способ применяется реже, так как имеет сложности в установки прибора на вертикальной поверхности стен. К тому же работа дистанционным способом намного легче и позволяет не приближаться к объектам.
Здесь за начальную точку отсчета, условно принято брать урез воды водоемов сообщающихся с любым мировым океаном. Но в таком случае мы будем иметь дело с условной системой высот, точности которой будет не хватать для проведения масштабных строительных работ. И все-таки, данный принцип геометрического нивелирования, отлично подойдет для локальных строительных площадок, где не требуется увязка высот здания с региональными системами.
Тригонометрическая нивелировка
Она построена на принципе использования одного из двух измерительных приборов, тахеометра или теодолита. Для считывания превышения используют угол от горизонта до верхнего края измерительной рейки, а в случае большой удаленности объекта его вершины. К примеру, этим способом измеряют высоты опор линий электропередач. Он хоть и дает незначительную погрешность расчета, но зато позволяет производить расчеты превышений на больших расстояниях и углах рельефа местности.
Формула высоты тригонометрического измерения выглядит так: h = s * tg ν + i – б или h = S * sin ν + i – б. Значения величин подставляются в нее с учетом того, что:
Принцип гидростатического нивелирования
Гироскопы (гидроуровня) хороши для использования в любых условиях, доступны по цене, а главное позволяют определять превышения в ускоренном автоматизированном режиме. Обычно их принято использовать:
Работа гидроуровня демонстрируется рисунком ниже, и как было указано ранее, основана на выравнивании уровня воды (любой другой жидкости, к примеру, антифриз) в сообщающихся емкостях (сосудах). Здесь для нахождения превышения h, используют разницу в отметках, со специальных шкал, нанесенных на сосуды (отметки а, б). Принцип, положенный в основу этого измерения допускает считывание превышения в условиях малых пространств. Пользование приборами такого типа, не потребуют специальных знаний, но не даст точного результата. При измерении гидроуровнем погрешность может составлять до 1 см, как в минус, так и в плюс. Еще одним недостатком применения, можно считать неудобное перемещение прибора, а точнее его соединительного шланга.
Принцип работы лазерных уровней
Преимущество использования такого нивелира в том, что им можно производить разметку, высчитывать превышение в условиях закрытых узких пространств помещений и на открытой местности, с минимальной погрешностью и под любым углом. Работать можно, как при дневном освещении, так и в темное время суток. Его удобно использовать при поклейки плитки на стену, оклейки обоев и выставления иных конструкций. С его помощью выполняют:
Лазерные уровни особенно незаменимы, там, где необходимо производить разметку на больших и удаленных плоскостях, так как они более удобны в отличие от веревочных отвесов, угольников и реечных уровней. Они безопасны в применении и относятся к 2 классу излучения. Сам луч прибора так же не представляет угрозы для человека, за исключением длительного воздействия на глаза. Все лазерные уровни ударопрочны и влагонепроницаемы, поскольку такие факторы влияют на работу и защита от них изначально заложена в разработку приборов. Для большего удобства, при интенсивном солнечном свете, рекомендовано использовать специализированные очки.
Все приборы необходимо подвергать проверке на точность периодично (раз в год). Желательно приобретать приборы известных марок и производителей. Использование непроверенного инструмента, может стоить вам больших ошибок, особенно при строительстве многоэтажных или многоярусных конструкций. Ошибки в сантиметрах на начальных этапах строительства, могут привести к невозможности его завершения, по причине не соответствия размеров верхних помещений или консолей, типовым завершающим конструкциям (фермам, плитам перекрытий и т.д.). Помните о том, что от кропотливой работы геодезистов, зависит весь ход строительного процесса, где задействовано множество ресурсов, как людских, так и машин (механизмов). А переделывать всю работу порой невозможно и дорого.