Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса выполнения государственного высокоточного нивелирования I и II классов 12
1.1 Общие положения выполнения государственного нивелирования 12
1.2 Анализ основных источников ошибок высокоточного государственного нивелирования 25
1.2.1 Влияние вертикальных перемещений костылей и штатива 25
1.2.2 Ошибки, вызванные тепловым воздействием на нивелир 32
1.2.3 Ошибки, вызванные влиянием вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы 35
1.2.4 Влияние вибрации на результаты геометрического нивелирования 41
1.3 Постановка задачи исследований 43
2 Исследование влияния внешних факторов на результаты нивелирования цифровыми нивелирами 46
2.1 Принципиальная схема взятия отсчета системой «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» 46
2.2 Разработка методики исследования влияния рефракции на результаты нивелирования цифровыми нивелирами 50
2.3 Выполнения исследований влияния рефракции на результаты нивелирования цифровыми нивелирами при положительных температурах приземного слоя атмосферы 62
2.3.1 Определение влияния вертикальной рефракции на величину изменения отсчетов по штрих-кодовой рейке 62
2.3.2 Определение влияния рефракции на величину изменения превышения на нивелирной станции 68
2.4 Исследования влияния рефракции при отрицательных температурах 72
2.5 Исследование влияния вибрации и порывов ветра на работу цифровых нивелиров 76
2.6 Определение величины ошибки «взгляда» для ЦН в зависимости от освещенности штрих-кодовой рейки 80
2.7 Влияние изменения емкости батареи цифровых нивелиров на ошибку измерений превышения на нивелирной станции 89
2.8 Совершенствование методики выполнения нивелирования I класса с учетом влияния рефракции приземного слоя атмосферы на результаты нивелирования ЦН 91
2.9 Совершенствование методики выполнения нивелирования II класса с учетом влияния рефракции приземного слоя атмосферы 103
2.10 Исследование величины изменения угла цифрового нивелира в зависимости от изменения температуры 108
3 Совершенствование методики метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» 113
3.1 Общие положения проведения метрологической поверки геодезических приборов 113
3.2 Существующие методики метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» 117
3.3 Схема и порядок метрологической поверки нивелиров и реек 120
3.4 Разработка методики метрологической поверки цифровых нивелиров 125
3.4.1 Методика метрологической поверки с изменением горизонта цифрового нивелира 125
3.4.2 Методика метрологической проверки с измерением по прямой и перевернутой штрих-кодовой рейке 129
3.4.3 Методика метрологической проверки с использованием эталонного превышения 134
Заключение 137
Список литературы 139
Приложение А (обязательное) Результаты исследования влияния различной степени освещенности на изменение отсчетов по штрих-кодовой рейке 152
- Влияние вертикальных перемещений костылей и штатива
- Разработка методики исследования влияния рефракции на результаты нивелирования цифровыми нивелирами
- Совершенствование методики выполнения нивелирования I класса с учетом влияния рефракции приземного слоя атмосферы на результаты нивелирования ЦН
- Методика метрологической проверки с измерением по прямой и перевернутой штрих-кодовой рейке
Введение к работе
з
Актуальность темы исследования. Необходимость совершенствования методики нивелирования I и II классов системой «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» обуславливается тем, что при выполнении этого вида геодезических работ на результаты измеренных превышений значительное влияние оказывают различные источники ошибок, к которым относятся влияние вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы, различная освещенность штрих-кодовых реек и отличие фактического масштаба системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» от его теоретического значения.
На практике наибольшее применение по характеру влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы получил следующий подход: влияние рефракции практически одинаково при взятии отсчета по рейкам и на измеряемое превышение на нивелирной станции оно носит случайный характер. Ослабляется остаточное влияние вертикальной рефракции нивелированием из середины и соответствующей программой измерения превышения на нивелирной станции.
В существующих нормативных документах указываются требования для выполнения нивелирования с учетом влияния рефракции приземного слоя атмосферы, к которым относятся время выполнения измерения, высота визирного луча над подстилающей поверхностью (пяткой рейки) и программа взятия отсчета по рейкам. Следует также отметить, что условия выполнения нивелирования I и II классов в полевых условиях, в городах и на промышленных площадках существенно различаются между собой.
Большой вклад в развитие и совершенствование способов и средств выполнения нивелирования I и II классов с применением оптических нивелиров, а также с применением цифровых нивелиров (ЦН) внесли отечественные и зарубежные ученые такие, как Иордан В., Колмогоров В. Г., Конопальцев И. М., Куккамяки Ф., Лаллеман Ш., Мещерский И. Н., Павлив П. В., Павлов Н. А., Патова 3. Ф., Певнев А. К., Пискунов М. Е., Синягина В. И., Спиридонов А. И., Травкин С. В., Федосеев Ю. Е., Энтин И. И., Ямбаев X. К. и др.
Появление в геодезическом производстве ЦН и штрих-кодовых реек привело к изменению технологической схемы производства нивелирования всех классов. В настоящее время ЦН находят все большее применение в геодезическом производстве, в том числе и при выполнении нивелирования I и II классов. При этом имеет место тенденция при выполнении нивелирования I и II классов замены оптических нивелиров на ЦН.
Вследствие этого, возникает необходимость в проведении ряда исследований по совершенствованию методики выполнения нивелирования I и II классов, выполняемого ЦН, включающей в себя исследование влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы при различных температурных режимах на измеряемые превышения, а также совершенствование программы наблюдения на нивелирной станции. Это обусловлено тем, что принцип взятия отсчета ЦН по штрих-кодовой рейке отличается от принципа отсчитывания по метрическим рейкам оптическими нивелирами.
Кроме влияния вертикальной рефракции, на результаты высокоточного нивелирования также значительное влияние оказывает фактор соответствия метрологических характеристик системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» заявленным требованиям. Применительно к использованию данной системы этот фактор соответствия относится к общей системе «цифровой нивелир-штрих-кодовая рейка», так как определить метрологические характеристики раздельно для ЦН и для штрих-кодовой рейки данного комплекта даже в специализированных лабораториях с применением специальных эталонных устройств чрезвычайно сложно. При возникновении необходимости внеочередного определения метрологических характеристик системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» в полевых условиях выполнить эту работу в настоящее время вообще не представляется возможным.
В связи с этим необходимым является выполнение исследований влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты превышений, измеренных на нивелирной станции системой «цифровой нивелир -
5 штрих-кодовая рейка», а также разработка методики проведения внеочередной метрологической поверки данной системы в лабораторных условиях, а при необходимости и в полевых условиях. Эти вопросы отражают актуальность исследований, выполненных в диссертационной работе.
Степень разработанности проблемы. Исследованием влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты геометрического нивелирования в различное время занимались такие ученые, как Лаллеман Ш., Иордан В., Куккамяки Ф., Павлов Н. А. и многие другие. Большой вклад в изучение влияния вертикальной рефракции на результаты геометрического нивелирования, выполняемого нивелирами с визуальным отсчитыванием, внесли также ученые ЦНИИГАиК, к которым относятся Павлов Н. А., Энтин И. И., Синягина В. И. При анализе влияния вертикальной рефракции на нивелирование использовались также обширные результаты производственных измерений различных геодезических предприятий. Проведенные исследования были использованы при разработке методики выполнения государственного нивелирования I и II классов.
Исследования влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты государственного нивелирование, выполняемого ЦН, до настоящего времени не проводились.
Разработке методики метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» посвящены ряд работ зарубежных и отечественных исследователей. Этими вопросами, в частности, занимаются исследователи специализированных лабораторий университета г. Мюнхена и Московского государственного университета геодезии и картографии.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является совершенствование методики нивелирования I и II классов, выполняемого системой «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», с учетом влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на ее работу.
6 Основные задачи исследований:
выполнить анализ влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты нивелирования ЦН;
выполнить исследования влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты высокоточного нивелирования ЦН при положительных и отрицательных температурах приземного слоя атмосферы;
усовершенствовать методику высокоточного нивелирования, выполняемого ЦН, с учетом влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты измерений;
разработать методику проведения внеочередной метрологической поверки нивелирной системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» в лабораторных и в полевых условиях;
- выполнить исследования влияния различной освещенности штрих-
кодовых реек на результаты нивелирования ЦН;
- выполнить исследования влияния изменения емкости аккумуляторных
батарей ЦН на величину изменения отсчета по штрих-кодовой рейке.
Объектом исследований является измерительная нивелирная система «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».
Предметом исследований является методика выполнения высокоточного нивелирования ЦН с учетом влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы, а также методика проведения метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
выполнены исследования характера и величины влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на измеряемые превышения ЦН при положительных и отрицательных температурах этого слоя атмосферы;
на основе результатов исследований усовершенствована методика выполнения нивелирования I и II классов ЦН с учетом влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы;
- разработана методика проведения внеочередной метрологической повер
ки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», которую можно при
менять в лабораторных и в полевых условиях.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении характера и величины влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на измеряемое ЦН превышение при положительных и отрицательных температурах, а также в разработке методики проведения внеочередной метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», которую можно применять в лабораторных и полевых условиях.
Практическая значимость работы заключается в разработке научно-обоснованной методики выполнения нивелирования I и II классов на основе применения ЦН с учетом влияния вертикальной рефракции на измеряемые превышения, в разработке методики проведения внеочередной метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», а также в выдаче обоснованных рекомендаций по уточнению требований к методике выполнения нивелирования I и II классов указанной системой.
Методы исследований. Теоретической базой для проведения исследований является модель приземного слоя атмосферы, в котором распространяется визирный луч ЦН, методы корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа, элементы математической статистики, теории ошибок измерений и методы математического моделирования результатов практических измерений.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
методика выполнения исследования и результаты влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на ЦН при положительных и отрицательных температурах приземного слоя атмосферы;
усовершенствованная методика выполнения нивелирования I и II классов с учетом особенностей влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты измерений превышений ЦН;
- методика проведения внеочередной метрологической поверки системы
«цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», выполняемая в лабораторных и в
полевых условиях;
- результаты исследований влияния различной освещенности штрих-
кодовых реек на результаты измерения превышений на станции ЦН и способы
ослабления этого влияния;
- результаты исследований влияния уменьшения емкости аккумуляторных
батарей ЦН на величину изменения отсчета по штрих-кодовой рейке.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика исследований соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 - «Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:
5 - Методы, технические средства и технологии геодезического обеспечения строительно-монтажных, кадастровых, землеустроительных, проектно-изыскательских, маркшейдерских, геолого-разведочных и лесоустроительных работ; освоения шельфа; монтажа, юстировки и эксплуатации технологического оборудования;
6 - Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений, атомных и тепловых электростанций, промышленных предприятий, линейных сооружений. Геодезический контроль ведения технического надзора при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих комплексов;
- 13 - Геодезическая метрология. Разработка методов, средств и норма
тивных документов для метрологического обеспечения геодезических средств
измерений. Создание и функционирование эталонных геодезических полиго
нов, базисов и компараторов для поверки, калибровки и аттестации геодезиче
ских средств измерений.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Результаты исследований, выполненные в диссертации, реализованы в учебном про-
9 цессе СГГА, а также при выполнении хоздоговорных работ. Результаты исследований, выводы и практические рекомендации обсуждались и докладывались:
на V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009», 20-24 апреля 2009 г., Новосибирск;
на VI Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск;
на VII Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск;
на VIII Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск;
на IX Международном научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск.
Публикации по теме диссертации. Количество опубликованных научных статей - 12, из них 4 статьи опубликованы в журналах, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.
Объем и структура работы. Основной текст диссертации изложен на 176 страницах. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 123 наименования (из них 17 - на иностранных языках), и 1 приложения, содержит 36 таблиц и 31 рисунок.
Влияние вертикальных перемещений костылей и штатива
Как известно, основными источниками систематических ошибок при выполнении нивелирования являются влияние: вертикальной рефракции, вертикальных перемещений костылей и системы «штатив - нивелир», изменения угла і в ходе выполнения измерений.
Исследованием источников влияния вертикальных перемещений костылей и штатива занимались многие ученые-геодезисты: Красовский Ф. Н., Чеботарев А. С, Павлов Н. А., Энтин И. И. и другие [24, 44, 71, 89, 105]. Многие авторы считают, что костыли и башмаки, забитые в грунт, всегда оседают под действием собственного веса и веса рейки, другие допускают, что часто имеют место случаи их выпирания; в значительно большей степени происходит выпирание башмаков. Высказывались также различные мнения относительно скорости перемещения костылей и башмаков: одни авторы исследований считали, что перемещения происходят непрерывно и их величина пропорциональна времени, другие полагали, что перемещение происходит сразу после забивки костыля (установки башмака) в грунт.
Для ответа на данный вопрос в 1949 - 1950 гг. в ЦНИИГАиК [Ю5] были проведены исследования по определению ошибок, вызванных вертикальными перемещениями костылей и системы «штатив-нивелир». В результате исследований вертикальных перемещений костылей и башмаков были сделаны следующие выводы:
- ошибка, вносимая в результаты нивелирования, обусловленная перемещениями костылей, складывается из ошибки вызванной перемещениями костылей на переходных точках (ошибка за переходные точки), а также ошибкой, вызванной перемещениями костылей в процессе наблюдений на станции (ошибка на станции), которая искажает превышение, определенное на этой станции;
- указанная ошибка в целом ряде случаев искажает превышение по нивелирному ходу между двумя реперами.
Исследованиями было установлено, что ошибка за перемещение костылей действуют на результаты нивелирования систематически, и она, в зависимости от типа грунтов, может менять свой знак и величину на протяжении всего нивелирного хода.
Результаты многолетних производственных работ также показывают, что выпирание и оседание костылей зависит от плотности грунтов. При этом, в очень плотных, и, следовательно, весьма упругих грунтах костьши из них выпираются значительно чаще, чем оседают [105]. Также по результатам исследований был сделан вывод о том, что средняя величина ошибки превышения в результате перемещения костыля на переходных точках в грунтах средней плотности составляет 0,01 - 0,03 мм; на торфяном грунте эта ошибка достигает величины 0,08 мм.
Так как основными ошибками при выполнении нивелирования являются ошибки за переходные точки, то при оседании переходных костылей разность между средними превышениями прямого и обратного ходов будет положительна, а при выпирании - отрицательна.
По результатам исследований в ЦНИИГАиК также была выявлена зависимость перемещения костылей от характера грунтов. Установлено, что из-за разности по времени взятия отсчетов ошибка на станции для правой линии нивелирования меньше, чем ошибка для левой линии.
Также в ЦНИИГАиК были выполнены экспериментальные исследования возможных накоплений ошибок для хода длиной 50 км. Предполагая, что характер перемещений костылей был постоянным на протяжении всего хода, были сделаны следующие выводы: в грунтах средней плотности влияние перемещения костылей на результаты нивелирования I класса очень мало, в то время как для торфяного грунта эти искажения довольно значительны. Ошибка превышения одностороннего хода нивелирования II класса для хода длиной 50 км оказалась равной 5-9 мм, а по торфяным грунтам - порядка 50 - 70 мм.
В итоге выполненных исследований ЦНИИГАиКом были сделаны следующие основные выводы [105]:
- при нивелировании на любых грунтах изменяется положение системы «штатив- нивелир» по высоте как во время выполнения отсчетов по рейкам, так и при переходах наблюдателя из одного положения в другое;
- ошибка, вызванная перемещением костылей, на протяжении всего нивелирного хода действует систематически;
- в любых грунтах система «штатив- нивелир» преимущественно выпирается из грунта и особенно часто выпирание происходит, когда ножки штатива забиты глубоко в грунт;
- на торфяном грунте ошибка в измеренном превышении от перемещения штатива с нивелиром составляет не более 0,18 мм, а на всех остальных не превосходит 0,02 мм.
Автором работы [71] выполнены исследования по влиянию перемещения наблюдателя вокруг штатива на величину его оседания с помощью ЦН. Исследованиями установлено, что влияние веса наблюдателя во время его перемещения в непосредственной близости от штатива приводит к его оседанию на 0,02 - 0,03 мм.
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований систематических и случайных ошибок для нивелирования I класса было сделано заключение, что программа наблюдений, действовавшая в производстве до 1952 г. и регламентированная «Временным наставлением по нивелированию I класса», обладает рядом существенных недостатков. Разработанная ЦНИИГАиК новая программа наблюдений позволила не только ослабить действие систематических ошибок, но и повысить точность нивелирования I и II классов. Преимущество новой программы заключалось в том, что она стала симметричной и начался применяться только способ совмещения. В результате этого повысилась точность и производительность нивелирования.
Порядок наблюдения на нивелирной станции по новой программе в прямом ходе следующий [26, 42, 44, 68]:
- на нечетной станции - 3" П"0 Щ 3"д; 3 0 П" Щ з;;
- на четной станции - П" 3"0 3"д Щ; Щ 3"0 3"д Щ.
В обратном ходе на нечетных станциях наблюдения начинаются с передней рейки, а на четных - с задней станции.
Преимущество этого способа заключается в большой независимости правой и левой линий нивелирования между собой и ослаблении влияния на их результаты перемещений штатива с нивелиром, а также постепенных изменений угла і и вертикальной рефракции.
При прохождении трассы по недостаточно устойчивым грунтам рекомендуется начинать выполнять наблюдения на одной паре станций с правой, а на другой паре с левой линии нивелирования.
Во время полевых работ необходимо тщательно наблюдать за накоплением следующих шести разностей превышений [51, 53]
Разработка методики исследования влияния рефракции на результаты нивелирования цифровыми нивелирами
В предыдущем параграфе была рассмотрена принципиальная схема взятия отсчета системой ЦН. Из работы этой схемы следует, что взятие отсчета происходит в угловом секторе и необходимая линейная величина изображения штрих-кода должна быть не менее 300 мм. Это означает, что общий отсчет по рейке состоит из суммарного отчета каждого из штрихов. В свою очередь отчет каждого по каждому из штрихов зависит от его положения на рейке. И, наконец, на положение каждого из штрихов будет по разному влиять влияние вертикальной рефракции, так как каждый из лучей от нанесенного на рейку штриха будет проходить в приземном слое воздуха по своему пути в объектив ЦН. С учетом сказанного рассмотрим современный взгляд на теорию приземного слоя атмосферы с целью анализа хода лучей от штрихов рейки до объектива ЦН.
После нарушения горизонтальности приземных слоев воздуха при отсутствии ветра происходит незначительное перемешивание этих слоев. С увеличением силы ветра происходит постепенное увеличение скорости движения приземного слоя воздуха и достижение критического значения, что приводит к неустойчивости ламинарного течения в атмосфере. Вследствие этого возникают колебательные движения воздушных струй с образованием статически однородных и изотропных вихрей. Линейный горизонтальный размер L воздушного вихря непрерывно изменяется и принимает различные значения [18]. Линейный размер наиболее крупного вихря Lu для приземного слоя атмосферы вычисляется по эмпирической формуле [18] где /о - кинетическая энергия, которая полностью превращается в теплоту; (J. — коэффициент кинематической вязкости; є - скорость диссипации энергии. Таким образом, турбулентное движение слоев воздуха определяется как совокупность большого числа переносимых ветром вихрей различного размера. Это означает, что при выполнении нивелирования одиночный визирный луч, попадая в оптически неоднородную среду, изменяет показатель преломления от точки к точке, и это приводит к изменению его направления. Тем самым при каждом изменении направления визирного луча по рейке получается новый отсчет. Здесь мы имеем факт колебания изображения штрихов рейки.
Так как при отсчитывании по штрих-кодовой рейке в угловом секторе лучи проходят от каждого кодового штриха, то тем самым образуется целый пучок своеобразных визирных лучей и на каждый этот луч будет влиять вертикальная рефракция. С учетом того, что турбулентное колебание приземного слоя атмосферы носит случайный характер, то следует ожидать, что и на каждый луч от кодового штриха рейки влияние вертикальной рефракции будет носить также случайный характер и это влияние в значительной степени взаимно компенсируется. Вследствие этого следует ожидать некоторого ослабления влияния вертикальной рефракции при взятии отсчетов по штрих-кодовой рейке. Таким образом, из характера влияния движения приземного слоя воздуха можно сделать следующий вывод:
- при взятии отсчетов по рейке оптическим нивелиром на одиночный визирный луч влияет только та область слоя воздуха, в котором распространяется одиночный визирный луч;
- при взятии отсчетов по рейке ЦН общий отсчет будет складываться из отдельных визирных лучей, распространяющихся от каждого штриха из общей комбинации штрихов рейки, находящихся в отсчетном угловом секторе;
- так как распространение отдельных визирных лучей в приземном слое атмосферы носит случайный характер, то их суммарное влияние на получаемый отсчет по штрих-кодовой рейке также будет носить случайный характер.
Важным моментом при рассмотрении приземного слоя атмосферы является его «рабочая высота», т.е. высота слоя в котором происходит распространение визирных лучей при выполнении геометрического нивелирования, особенно высокоточного. В пределах этой «рабочей высоты» приземного слоя находится и регламентируемая нормативными документами высота визирного луча, который проходит от рейки до оптического нивелира.
В нормативном документе [26] под высотой визирного луча над подстилающей поверхностью понимается высота визирного луча над пяткой рейки, т.е. это величина отсчета по метрической рейке, взятого по средней нити зрительной трубы.
Необходимо отметить, что требование к высоте визирного луча над подстилающей поверхностью (препятствием) предъявляется и при выполнении разрядного инженерно-геодезического нивелирования, которое применяется для определения осадок и деформаций инженерных сооружений и оборудования. При его выполнении наблюдатель следит за высотой визирного луча над нагретыми частями инженерного сооружения или оборудования. Эти нагретые части оборудования, особенно паропроводы, приводят к значительной локальной турбулентности воздуха, а, следовательно, к искажению результатов измерений. Так при выполнении разрядного нивелирования 1 класса высота визирного луча должна быть не менее 1,0 м.
Рассмотрим данное требование при выполнении геометрического нивелирования в условиях разной формы рельефа и разного покрова поверхности земли.
Пусть нивелирование выполняется в условиях равнинной местности. При выполнении нивелирования оптическими нивелирами высота / визирного луча (рисунок 2.3, а) практически будет равна отсчету Ъ по средней нити зрительной трубы. В этом случае можно говорить, что высота траектории прохождения визирного луча над поверхностью земли на всем протяжении его от нивелира до рейки удовлетворяет требованиям инструкции. При взятии отсчета Ъ по рейке требуется «одиночный» визирный луч Ob. Визирный луч Ob при прохождении слоев воздуха претерпевает изменения своего направления, вызванные рефракционными и турбулентными явлениями приземных слоев, что в конечном итоге приводит к появлению ошибок при взятии отсчета по рейке.
При выполнении нивелирования в этих условиях ЦН (рисунок 2.3, б) по рейке принимают участие целый ряд смежных штрихов штрих-кода, расположенные в угловом секторе а между крайними штрихами bj и Ь2- Для взятия отсчета по штрих-кодовой рейке необходимо, чтобы в этом отсчетном угловом секторе а ПОЛЯ зрения зрительной трубы находился участок рейки (заключенный между крайними лучами Obtu ОЪ2 длиной не менее Ь2-Ъх =300 мм. Очевидно, что на лучи, заключённые в указанном угловом секторе, а также на крайние лучи ОЪх и ОЬ2 также будет оказывает некоторый объем воздуха (на рисунке 2.3, б он условно ограничен линиями), расположенный непосредственно на пути прохождения этих лучей. Очевидно, что степень влияния рефракции на нижние и верхние визирные лучи будет разная: следует ожидать, что это влияние на верхние лучи ОЬ2 будет несколько меньше чем на нижние ОЪх. Влияние вертикальной рефракции на лучи, заключенные между крайними лучами ОЪх и ОЬ2, будет носить случайный характер. При этом одни лучи от некоторого количества штрих-кодовых делений будут увеличивать суммарный отсчет Ъ по рейке, а другие будут его уменьшать. В среднем следует ожидать некоторой компенсации влияние вертикальной рефракции на этот суммарный отсчет Ъ по рейке. Другим фактором, влияющим на положение визирного луча (суммарного отсчета Ь), будет положение нижнего луча ОЬх в угловом секторе. Это обусловлено тем, что согласно требованиям инструкции при выполнении нивелирования I класса высота визирного луча над подстилающей поверхностью должна быть равна 0,8 м. Таким образом, если высота отсчета Ъ будет равна 0,8 м, то отрезок /,, заключённый между подстилающей поверхностью и нижним лучом ОЬ{, в этом случае будет не меньше 0,8 м и он будет равен 0,65 м. Это обстоятельство свидетельствует о том, что по отсчету Ъ высота визирования будет удовлетворять требованиям инструкции, но фактически это требование не будет выполняться. Для того, чтобы это требование выполнялось, необходимо высоту визирного луча поднять минимум на 0,15 м, т.е. она должна быть равной не менее 6 = 0,95 м. В этом случае нижний луч Отбудет находиться на высоте 0,80 м.
Совершенствование методики выполнения нивелирования I класса с учетом влияния рефракции приземного слоя атмосферы на результаты нивелирования ЦН
Выше нами было рассмотрено влияние вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на результаты нивелирования, выполняемого оптическими нивелирами и нивелированием ЦН. По результатам проведенных исследований был сделан вывод о том, что влияние вертикальной рефракции при выполнении нивелирования ЦН значительно меньше, чем при использовании оптических нивелиров.
С учетом величины и характера влияния вертикальной рефракции на результаты нивелирования выполним совершенствование методики производства нивелирования на нивелирной станции и в нивелирном ходе. При этом выполним совершенствование для государственного нивелирования. Вопросы совершенствования программ высокоточного нивелирования, выполняемого ЦН, рассматривались авторами работ [8, 34, 49, 70, 71, 72, 75, 75, 91 - 95]. Однако в этих работах совершенствование исходило из характера влияния на результаты измерений оседания на станции системы «штатив — цифровой нивелир».
Как известно нивелирование I, II класса выполняется из середины. При нивелировании в настоящее время используются нивелиры с плоскопараллельной пластиной, контактным уровнем или компенсатором.
Рассмотрим по аналогии с [104] влияние ошибок, обусловленных влиянием вертикальной рефракции для I класса нивелирования.
Первая программа наблюдений. Нивелирования I класса выполняется по двум линиям нивелирования [26]. Порядок наблюдения, на станциях следующий: в прямом направлении по правой линии нивелирования на нечетной станции 3" П" Щ 31 и по левой линии нивелирования 3"0 П"0 Плд 3"д; на четной станции Я" 3" 3% Щ и по левой линии нивелирования П"а Зл0 3 1 П"А. В обратном ходе измерения выполняют на нечетной станции П"а 3" 3" Щ и Я0 3"0 3"д П"д; а на четной З" П" п; з; и ЗІ я; я; З д. Под з;, з; и 3"д, з; следует понимать отсчеты, взятые по основной и дополнительной шкалам задней рейки правой и левой линиям нивелирования. Я", П"0 и Я", Щ - отсчеты по основной и дополнительной шкалам передней рейки правой и левой линиям нивелирования.
Для удобства рассуждений предположим, что при выполнении работ на станции исключено оседание или выпирание штатива и костылей, а превышения между костылями будут равны нулю. Допустим также, что при выполнении нивелирования влияние вертикальной рефракции вызывает равномерное изменение отсчетов по штрих-кодовой рейке.
Влияние вертикальной рефракции на изменение отсчета по рейке обозначим через Д.
Тогда на нечетной станции отсчет по задней рейке будет равен 3" = 3, а по передней рейке, с учетом влияния вертикальной рефракции, П" = П + А (рисунок 2.16, а).
Таким образом, ошибка, связанная с влиянием вертикальной рефракцией приземного слоя атмосферы, будет компенсироваться, как на нечетной, так и на четной станциях. Компенсация данной ошибки также происходить и на паре смежных станций.
Так как по левой линии нивелирования на нечетной и четных станциях отсчеты выполняются в том же порядке, что и по правой, то влияние рефракции для левой линии нивелирования будет аналогично.
Таким образом, при выполнении нивелирования I класса на станции получаем 4 превышения и из каждой пары превышений в среднем их значении влияние изменения рефракции практически компенсируется. В то же время при нивелировании I класса с применением ЦН измеряется только 2 превышения.
Вторая программа наблюдений. Разработаем программу наблюдений на станции, с учетом влияния вертикальной рефракции для нивелирования I класса с применением ЦН и с учетом измерения 2-х превышений по каждой линии. Порядок наблюдения на станции, следующий.
В прямом направлении по правой линии нивелирования на нечетной станции отсчеты выполняются в следующей последовательности: 3" 32" П" 77 2 . Отсчеты 3" и 32" являются сдвоенными отсчетами по задней рейке для правой линии нивелирования, а П" 772 сдвоенными отсчетами по передней рейке для правой линии нивелирования (рисунок 2.17, а).
Для контроля и повышения точности измеренного превышения на станции изменим горизонт инструмента на величину 5 и выполним следующие измерения П" Я2 3" 32 , где 3" 3" и 77" II - отсчеты по задней и передней рейкам для правой линии нивелирования после изменения горизонта инструмента (рисунок 2.17,6).
Предположим, что при выполнении работ на станции исключено оседание или выпирание штатива и костылей. Пусть превышения между костылями будут равны нулю. Влияние вертикальной рефракции на изменение отсчета по рейке обозначим также через Д.
В результате этого на станции по правой линии будет измерено одно превышение. Так как влияние изменения вертикальной рефракции равномерно, то в результатах нивелирования это влияние будет сказываться.
Для повышения точности измерений, контроля измеренного превышения на станции и ослабления влияния рефракции изменим горизонт цифрового нивелира на величину 5. Тогда на нечетной станции отсчеты по передней рейке правой линии будут равны Я" = П и Я2" - П (рисунок 2.17, 6). Таким образом, средний отсчет по передней рейке правой линии нивелирования будет равен
Аналогичным образом производятся отсчеты по левой линии.
Таким образом, ошибка, связанная с вертикальной рефракцией, будет компенсироваться, как на нечетной, так и на четной станциях. Компенсация также происходить и на паре станций. Так как по левой линии нивелирования на нечетной и четных станциях отсчеты выполняются в том же порядке, что и по правой, то влияние рефракции для левой линии нивелирования будет аналогично.
Третья программа наблюдений. Рассмотрим программу наблюдений предложенную Конопальцевым И.М. применительно к влиянию вертикальной рефракции. Программа наблюдений, предложенная Конопальцевым И.М., предполагает соединение в одно целое правое и левое нивелирование [104]. Однако влияние вертикальной рефракции при использовании данной программы не исследовано.
Методика метрологической проверки с измерением по прямой и перевернутой штрих-кодовой рейке
Конструкция системы «цифровой нивелир — штрих-кодовая рейка» позволяет выполнять нивелирование по прямому изображению штрих-кодовой рейки и обратному его изображению (перевернутой рейке). При взятии отсчета по прямому изображению рейки получается отсчет равный расстоянию от пятки рейки до визирной оси ЦН. При взятии отсчета по обратному его изображению получается отсчет равный расстоянию от визирной оси до верха рейки. В этом случае, если взять отсчет О,по прямому изображению штрих-кода (рисунок 3.6) и отсчет 0[ по перевернутому его изображению (рисунок 3.6, а, б), то сумма этих отсчетов будет равна длине Ц штрих-кодовой рейки
Кроме того, если такие отсчеты производить при разной высоте горизонта ЦН, то при исправной работе системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» сумма этих отсчетов должна быть постоянной, т.е.
При этом также должно соблюдаться (в пределах точности измерений) условие
Нарушение условия (3.13) будет свидетельствовать о наличии в работе системы «цифровой нивелир-штрих-кодовая рейка» определенной величины средней квадратической ошибки в «масштабе нивелирной системы».
С учетом сказанного методика выполнения поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» выполняется следующим образом. В точке А устанавливается ЦН, а в точке В, на определенном расстоянии, рейка. Также для удобства выполнения измерения и повышения их точности удерживать рейку в вертикальном положении необходимо с помощью подпорок или специальных стаканов.
Перед началом исследований ЦН со штативом первоначально опускаются на минимально возможную высоту с таким расчетом, чтобы можно было взять отсчет по самой нижней части рейки. После приведения ЦН в рабочее положение штрих кодовая рейка на точку устанавливается пяткой и по ней производится 15 - 20 отсчетов, а затем из них вычисляется средние значение. Затем рейка переворачивается и устанавливается верхней плоскостью на эту же точку, после чего по ней также производится 15-20 отсчетов. Для исключения влияния остаточной не перпендикулярности верхней плоскости оси рейки установка производится средней частью этой плоскости. Затем с помощью штатива производится изменение горизонта ЦН (его подъем) на 8 - 10 см и измерения выполняются аналогичным образом.
Изменение горизонта ЦН производится до тех пор, пока измерения не будут выполнено по всей длине рейки. После этого аналогичные измерения производятся в обратном направлении (рисунок 3.7). При этом ЦН со штативом также опускается с интервалом 8-15 см. пятка)
Также, с целью определения величин «ошибок взгляда» для разных расстояний, а также внутришаговых короткопериодических ошибок, эти расстояния увеличиваются (при наших исследованиях они были равны 4,2; 7,0; 10,3; 14,1 м).
Требования к условиям выполнения измерений аналогичные как в предыдущем способе. После выполнения измерений вычисляются:
- среднее из отсчетов по прямой и перевернутой рейке для каждого горизонта ЦН;
- средние квадратические ошибки «взгляда» по прямой и перевернутой рейке для каждого горизонта и расстояния (по уклонениям от среднего);
- по формуле (3.12) сумма отсчетов для каждого горизонта в прямом и обратном ходах;
- разность д{ между суммой отсчетов смежных горизонтов ЦН;
- разность 8г между суммой отсчетов в прямом и обратном ходах для каждого горизонта ЦН;
- среднюю разность из всех горизонтов для прямого и обратного хода, а также между прямым и обратным ходами;
- среднюю квадратическую ошибку измерения (по уклонениям от среднего) системой «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».
Для данного нивелирного комплекта нами было выполнено три серии измерений. Результаты одной серии исследования ЦН DiNi 1012 и двухметровой рейки по данной методике для расстояния 4,2 м приведены в таблице 3.2.
Из таблицы 3.2 следует, что разности 5 также находятся в пределах точности измерения превышения данным нивелирным комплектом. Следовательно, поверяемый нивелирный комплект находится в работоспособном состоянии и обеспечивает заявленную точность нивелирования.
Необходимо отметить, что полученные величины Ц, больше чем 2000,000 м не свидетельствуют о наличии систематической ошибки в нанесении кодовых штрихов на рейке; они свидетельствуют о том, что данная рейка изготовлена с такой длиной. После этого исследования также производятся с другой рейкой, а затем и с двумя рейками.
Похожие диссертации на Исследование и совершенствование методики нивелирования I и II классов с применением цифровых нивелиров
