Приборы, используемые в геодезии
Когда люди проходят мимо геодезистов, работающих на улицах, стройках, на садовых участках, многие задаются вопросом- а что это за «тренога» такая, куда посмотреть в прибор, а что я там увижу? Как называется этот прибор, и зачем он здесь стоит? Часто-это праздное любопытство. Иногда просто пытаются вникнуть и понять, как это действует и что меряет. Некоторые просто работают в смежных отраслях и хотят расширить свой кругозор.
Существуют очень сложные системы и сверхточные приборы, которые редко используются, и в обычной жизни инженера Вы с ними не встретитесь. Попробуем вкратце рассказать про приборы, которые, в основном, используют геодезисты в прикладной геодезии. Про те штативы и «палочки», с которыми ходят геодезисты.
Известный российский профессор-геодезист, который жил и работал на рубеже XIX и XX столетий, генерал-лейтенант Василий Васильевич Витковский свою специальность называл одной из самых полезных областей знания. По его мнению, изучать форму и поверхность Земли человечеству необходимо настолько же, насколько каждому из нас — в подробностях узнать собственный дом.
Неудивительно, что геодезия всё время развивается и уже давно нацелилась не только на нашу отдельную планету, а и на всю Солнечную систему и даже галактику в перспективе. Вместе с развитием цивилизации эта наука очень усложнилась, разделилась на несколько дисциплин — и, естественно, начала ставить перед собой и решать всё более сложные задачи. Причём как теоретические по причине роста количества и масштабов исследований, так и практические — из-за увеличения числа уникальных инженерных конструкций и сооружений. Это не могло не привести, с одной стороны к повышению требований к точности измерений, а с другой — к усложнению оборудования. Особенно сильно это стало заметно в последние 10-20 лет в связи со стремительным развитием электроники и началом широкого применения лазеров.
Подробнее про геодезию, как науку можно узнать в специальной статье, посвященной этой познавательной теме.
Что измеряют геодезические приборы:
Перед тем, как начнем- небольной опрос:
Самая простая геодезическая задача — это измерение длины линии. Ленты и рулетки, длинномеры и геометрического типа дальномеры — это приборы, с помощью которых измеряют короткие линии со сравнительно невысокой точностью. А вот если речь идёт об измерениях высокоточных или базисных, а также о значительных расстояниях, понадобится уже дальномер — световой, электромагнитный, радиоволновый или лазерный. Особенно распространены такие приборы в космической и морской геодезии.
Для измерения высот и их разницы используются нивелиры и профилографы. Нивелиры используют вместе со специальными нивелирными рейками. Существуют оптические, цифровые и лазерные нивелиры. Причём последние нельзя путать с просто лазерными уровнями, которые отличаются не только конструктивно, но и по обеспечению точности.
Измерение углов очень долго обеспечивалось с помощью довольно простых инструментов — транспортиров, экеров и эклиметров. Более сложным прибором является буссоль — подвид компаса, которым можно измерить магнитный азимут, то есть угол, на который линия отклоняется от направления на север магнитного меридиана. Основной современный прибор для измерения углов — это теодолит, довольно сложный оптический прибор, позволяющий добиваться очень высокой точности измерений.
Давно не секрет — прогресс не стоит на месте. Время, когда измеряли все эти величины по отдельности, да еще и «дедовскими» приборами, ушло безвозвратно в прошлое. В рамках этой статьи не будем рассматривать буссоли, кипрегели и стальные рулетки- только актуальное и наиболее распространенное геодезическое оборудование.
Каждая уважающая себя геодезическая бригада, чтобы справиться практически с любыми инженерно-геодезическими изысканиями, должна иметь следующие приборы
Тахеометр
Нивелир
GPS оборудование
Геодезистам эти приборы нужны не для ориентирования на местности, а для точного определения местоположения «тарелки» (обычно такой формы придерживаются производители GPS приемников). Погрешность обычно составляет 0,5-2 сантиметра относительно ближайшего пункта Государственной Геодезической Сети (ГГС). В то время, как обычные навигаторы дают ошибку местоположения около 10-20 метров, что в работе геодезиста недопустимо. Но есть множество факторов, которые весьма часто негативно влияют на величину погрешности геодезических измерений при помощи GPS оборудования. Поэтому недостаточно просто приобрести дорогостоящую «тарелку», и начать определять местоположение соседних заборов, например, как обычным навигатором. Без должной калибровки и последующей обработки измерений ничего не выйдет.
В общем, если увидите геодезиста с «тарелкой» на вешке, знайте- он определяет точное местоположение точки, над которой стоит приемник. В последнее время вынос границ участка на местность производится практически только GPS методом. Это гораздо быстрее и удобнее.
Штатив
Вешка
В конечном итоге-там где находится отражатель или приемник на геодезической вешке происходит определение местоположения измеряемой точки.
Лазерная рулетка
Ввиду этого, сейчас все еще достаточно часто приходится использовать стальные рулетки длиной до 50м. Большей длины не выпускают, поэтому расстояния более 50 метров являются источниками ошибок из-за нескольких этапов измерений. Измерения нужно проводить вдвоем, да и провис ленты доставляет некоторую ошибку в измерения.
В итоге лазерные рулетки используются повсеместно кадастровыми инженерами и геодезистами в тех случаях, когда это целесообразно и возможно. Практически все измерения помещений для экспертиз помещений или технических планов без нее не обходятся. В остальных случаях выручает старая-добрая стальная рулетка.
Трубо-кабелеискатель
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
В строительстве автомобильных дорог, при соблюдении технологии производства работ, а также контроле качества используемых материалов, ключевое значение приобретают геодезические работы. Они регламентируются рядом нормативных документов, которые предписывают точность выполнения линейных, угловых и высотных измерений. Однако действующие в настоящее время нормативные документы являются устаревшими, ориентированными на использование традиционных геодезических приборов, таких как теодолиты, рулетки и нивелиры. При этом комплекс применяемых приборов постоянно совершенствуется, появляется электронное оборудование, которое позволяет производить геодезические работы при минимальном участии человека. Широкое распространение получили спутниковые методы измерений и приемники. Они позволяют автоматизировать процесс получения и обработки данных. Современным геодезическим оборудованием снабжаются также и дорожно-строительные машины, что позволяет увеличить скорость производства работ, повысить точность реализации проектных решений.
Производство геодезических работ при строительстве дорог должно отвечать определенным требованиям, которые обеспечивают точность расположения дороги на местности, точность параметров конструктивных слоев, искусственных сооружений. Однако, если к геодезическим работам, выполняемым при изысканиях дорог, предъявляются конкретные требования по качеству высотных, угловых и линейных измерений, а также плановых определений [1], то при строительстве дорог нормируются допустимые плановые и высотные отклонения конструктивных элементов, представленные в таблице 1 [2].
Таблица 1. Параметры, используемые при оценке качества строительно-монтажных работ.
Конструктивный элемент, вид работ и
1 Земляное полотно
1 Возведение насыпей и разработка
1.1 Высотные отметки продольного профиля
Не более 10% результатов определений могут иметь
1.2. Расстояния между осью и бровкой
Не более 10% результатов определений могут иметь
1.3 Устройство водоотвода:
1.3.1 Увеличение поперечных размеров кюветов, нагорных и других канав (по дну)
Не более 10% результатов определений могут иметь
2 Основания и покрытия дорожных одежд
2.1 Высотные отметки по оси
Не более 10% результатов определений могут иметь
2.2.1 Основания и покрытия асфальтобетонные, цементобетонные
Не более 10% результатов определений могут иметь
отклонения от проектных значений от минус 7,5 см до плюс 10 см, остальные до ±5 см
2.3.1 Основания и покрытия асфальтобетонные и цементобетонные
Не более 10% результатов определений могут иметь
отклонения от проектных значений до ±10 мм, остальные до ±5 мм
При этом, в соответствии с [3], отклонения обусловлены неточностью геодезических и строительно- монтажных работ, а также работ строительных машин. Геодезические работы, в свою очередь, включают в себя разбивочные и выполняемые при исполнительной съемке. Таким образом, при рассмотрении возможности использования современного геодезического оборудования для обеспечения строительства дорог, необходимо задаться определенными требованиями к точности их производства. Для решения этой задачи рассмотрим характеристики ряда современных геодезических приборов, применяемых дорожно- строительными организациями при строительстве автомобильных дорог. Необходимые данные приведены в таблице 2.
Таблица 2. Параметры применяемых геодезических приборов
Среднеквадратическая ошибка измерений
где D – расстояние, м.
Как можно увидеть из таблицы, параметры точности применяемых современных геодезических приборов практически идентичны.
Современные нивелиры, как оптические, так и электронные, практически не отличаются по точности высотных измерений. При этом стоимость электронных приборов более чем в 2 раза превышает стоимость оптических нивелиров. При применении электронных приборов необходимым требованием является использование нивелирных реек со специальным кодом, который считывает прибор. С практической точки зрения, при производстве разбивочных работ наиболее удобным является использование оптических нивелиров, при этом при проведении исполнительных съемок, наиболее обоснованным является применение их электронных аналогов, так как процесс работ ускоряется и автоматизируется, упрощается формирование отчетов и ведомостей.
В настоящее время широкое распространение при строительстве автомобильных дорог получили электронные тахеометры, которые используют для измерения горизонтальных и вертикальных углов, а также расстояний. Они представляют собой угломерные приборы, снабженные дальномером и вычислительным комплексом, что позволяет производить одновременное определение расстояний, углов и превышений. Основной проблемой использования электронных тахеометров является необходимость закрепления пунктов геодезических сетей в пределах зоны работ. Как правило, закрепить пункты и обеспечить их сохранность в пределах полосы отвода возможно при работах по ремонту и капитальному ремонту дорог. При строительстве и реконструкции дорог пункты закрепляют за пределами полосы отвода, в связи с этим растительность (деревья и кустарник) затрудняет их взаимную видимость. Для производства высотных измерений достаточным является видимость одного пункта, к которому осуществляется привязка. Затем прокладывается нивелирный ход до смежного пункта, по результатам измерения на котором делают вывод о качестве работ. При производстве линейно-угловых измерений привязка к двум пунктам является обязательной, то есть должна быть обеспечена их взаимная видимость. При этом видимость третьего пункта обеспечивает контроль качества привязки, а в условиях густой растительности это практически невыполнимо.
К недостаткам оптических приборов, в том числе и современных, можно также отнести значительное влияние климатических условий на результаты производства работ. Как правило, строительство дорог осуществляется в благоприятные периоды года, преимущественно в летний период, когда температуры окружающего воздуха достигают максимальных годовых значений. При проведении высотных измерений, с использованием нивелира, при высоких температурах воздуха ограничивают длину луча визирования, тем самым снижают влияние рефракции. При линейно-угловых измерениях, с использованием тахеометров, оборудованных светодальномерами, уменьшить длину луча визирования невозможно, так как необходимо устанавливать приборы и отражатель над смежными пунктами геодезических сетей. Кроме того, работу оптическими приборами можно производить только в светлое время суток, что вызывает необходимость заблаговременно планировать работы и устанавливать планово- высотную разбивку с опережением.
Использование ГНСС позволяет производить разбивочные работы в любое время суток, при любой погоде. Для обеспечения возможности работ используется минимум два приемника, один из которых устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), а другой используется непосредственно для разбивочных работ (ровер). Обязательным условием является обеспечение связи между базовым приемником и ровером. Преимуществом систем ГНСС является также то, что от одной базовой станции могут работать несколько роверов, то есть могут производиться разбивочные работы, в то же самое время может осуществляться управление техникой.
В настоящее время современные геодезические системы также позволяют осуществлять управление и контроль за работой дорожно-строительной техники. При этом могут применять либо роботизированные тахеометры, либо системы ГНСС. Преимуществом роботизированных тахеометров является более высокая точность производства работ, однако для этих систем необходимо обеспечивать постоянную взаимную видимость между дорожно-строительной машиной и прибором. В темное время суток могут наблюдаться сбои из-за света фар, что необходимо учитывать в дорожном строительстве. У ГНСС данная проблема отсутствует, однако необходимо обеспечивать постоянство сигнала от базовой станции к роверу.
Таким образом, современное геодезическое оборудование позволяет решать большой ряд задач. Однако производство геодезических работ при строительстве автомобильных дорог должно обеспечивать соблюдение необходимых параметров точности, указанных в таблице 1.
В существующей методике расчета допусков на производство работ приведена формула, основанная на принципе равного влияния ошибок геодезических и строительных работ [3].
Согласно таблице 1, высотные отметки по оси дороги при устройстве покрытий дорожных одежд, могут иметь отклонения от проектных значений до ±10 мм. Получаем ∆г.р.= 5.8 мм.
Нормированные среднеквадратические погрешности определим по формуле:
Таким образом, можно сделать вывод, что использованием ГНСС для производства высотных измерений при устройстве оснований и покрытий невозможно, с точки зрения обеспечения требуемой точности.
Определенный интерес также представляет работа [4], в которой рассмотрены методы, основанные на принципе ничтожного влияния отдельных источников ошибок на конечный результат, методы расчета допусков по заданной доверительной вероятности строительного допуска и с учетом коэффициентов точности технологических процессов их устройства. Выводы данной работы также подтверждаю положение, согласно которому, использование ГНСС и электронных тахеометров для выполнения высотных исполнительных съемок, не обеспечивает требуемых точностных параметров.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Использование современного геодезического оборудования является обоснованным, так как оно позволяет автоматизировать процесс получения и обработки данных;
2. Современное оборудование позволяет обеспечить одновременную работу как непосредственно геодезистов, так и строительной техники, оборудованной соответствующими системами. При этом влияние условий окружающей среды на результаты геодезических работ снижается.
3. При выборе приборов необходимо применять научно-обоснованный подход для соблюдения строительных допусков при производстве геодезических разбивочных работ.
1. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96.
2. СП 78.13330.2012 Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85.
3. ВСН 5-81 Инструкция по разбивочным работам при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автомобильных дорог и искусственных сооружений.