Українська English
ДонНТУ Портал магистров

Исследование и совершенствование методики высокоточного нивелирования с применением цифровых нивелиров

Содержание

1. Актуальность темы исследования

Необходимость совершенствования методики высокоточного нивелирования 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, заряд аккумулятора, вертикальность рейки.

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 высокоточного нивелирования в полевых условиях, в городах и на промышленных площадках существенно различаются между собой[1].

Основными преимуществами цифровой измерительной техники перед аналоговой являются: быстрота измерений, высокая точность, удобство получения первичных данных и их автоматическая обработка, а также практически полное исключение человеческого фактора, вплоть до достижения конечного результата работы. традиционным оптическим нивелирам пришли цифровые (кодовые) нивелиры. В основе определения превышений цифровым нивелиром лежит тот же принцип, что и в классических оптических нивелирах. Однако вместо обычной рейки используется специальная, кодовая, рейка, а вместо анализатора, определяющего положение визирной оси нивелира на рейке, не глаз человека, а матричный фотодетектор. Задача оператора состоит лишь в наведении оптической трубы нивелира на рейку, после чего автоматически происходит распознавание, обработка и анализ изображения, и, наконец, выдача результата[2].

Вследствие этого, возникает необходимость в проведении ряда исследований по совершенствованию методики выполнения высокоточного нивелирования, 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.

Из многочисленного оборудования компании Sokkia следует отметить высокоточный цифровой нивелир с автофокусом SDL30 для нивелирования I класса[3].

2. Цели и задачи исследований.

Целью исследований является разработка и усовершенствование методики высокоточного нивелирования, выполняемого системой цифровой нивелир – штрих–кодовая рейка, с учетом влияния вертикальной рефракции приземного слоя атмосферы на ее работу.

Основные задачи:

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.

Научная новизна заключается в следующем:

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.

3. Конструкция и принцип отсчитывания цифровых нивелиров.

На рис. 3.1 представлена схема нивелира NA 2002. С помощью ПЗС–приемника происходит считывание кода шкалы нивелирной рейки. Оптические элементы цифровых нивелиров в основном заимствованы у обычных нивелиров, поэтому возможно визуальное отсчитывание по рейке. При измерениях в автоматическом режиме изображения штрихов кодовой шкалы рейки через светоделительный блок проецируются на чувствительную площадку ПЗС–приемника[4].

Рис. 3.1. Цифровой нивелир
(1 – штрих–кодовая нивелирная рейка; 2 – объектив; 3 – фокусирующий компонент; 4 – датчик положения фокусирующего компонента; 5 – блок компенсатора; 6 – блок контроля положения компенсатора; 7 – светоделительный блок; 8 – сетка нитей; 9 – окуляр; 10 – ПЗС–приемник;11 – изображение кода нивелирной рейки.)

Светоделительный блок разделяет падающее излучение в спектральной области на инфракрасное и видимое. В то время как излучение, лежащее в инфракрасной области спектра, отражается от светоделительной грани в сторону приемника, видимая часть беспрепятственно пропускается светоделительным блоком и формирует изображение рейки в плоскости сетки нитей. Благодаря этому, с одной стороны, наблюдатель не ощущает потери мощности света, а с другой стороны, на чувствительную площадку ПЗС–приемника, имеющего большую чувствительность в инфракрасной области спектра, попадает излучение достаточной интенсивности. ПЗС–приемник состоит из 256 фоточувствительных элементов (пикселей), расстояние между которыми равно 25 мкм. Оптическая система нивелира имеет угол поля зрения равный 2°, так что при минимальном расстоянии визирования, равном 1,8м, на чувствительную площадку ПЗС–приемника проецируется участок рейки длиной 61 мм, а при расстоянии 100 м – 3,5 м.

При перефокусировании зрительной трубы в диапазоне от 1,8 м до 100 м фокусирующий компонент перемещается на 14мм. Зная положение фокусирующего компонента, можно приблизительно вычислить расстояние до рейки.

Расстояние до рейки и положение фокусирующего компонента связаны. Положение фокусирующего компонента регистрируется электронным датчиком положения. Во время измерений электронной системой отслеживается наклон прибора, или точнее, отклонение чувствительного элемента компенсатора. ПЗС–приемник преобразует изображение штрихов кода в аналоговый видеосигнал, видеосигнал усиливается и преобразуется в цифровой. В микропроцессор с 256 пикселей ПЗС–приемника поступает дискретный сигнал, имеющий 256 градаций яркости.

Функционирование цифрового нивелира базируется на принципе корреляции. При этом штриховой код, записанный в память прибора, сравнивается с формируемым с помощью ПЗС–приемника сигналом (рис. 3.2). При применении корреляции в цифровых нивелирах оптимизируются два параметра, а именно, высота и масштаб.

Рис. 3.2. Принцип отсчитывания по штрих–кодовой рейке у нивелиров
С одной стороны разность высот прибор–рейка представляется как смещение штрихов кода рейки, с другой стороны изменяется масштаб изображения штрихов кода как функция расстояния прибор–рейка[5].

4. Рейки цифровых нивелиров

Цифровые нивелиры различаются принципами от считывания по рейке, а рейки – штрих–кодами, используемыми для этой цели. Поэтому, работая с нивелиром фирмы Leica Geosystem AG, необходимо применять рейки, предназначенные для нивелиров только этой фирмы, работая с нивелиром фирмы TOPCON – рейки фирмы TOPCON и т. д. От качества материала реек, используемых при измерениях, зависит средняя квадратическая погрешность измерений превышений нивелиром на 1 км двойного хода. Фирмы–производители стремятся достичь не только высокой точности измерений, но также сделать рейки легкими и прочными. Сегодня появился новый материал – стекловолокно (фиберглас), имеющий превосходное соотношение прочности и веса и малый коэффициент линейного расширения –10ррт (мм/км).

Обычно на одной стороне рейки наносится бинарный код для автоматизированного отсчитывания, а на другой – обычная шкала для визуального отсчитывания[6].

5. Требования к высокоточному нивелированию

Геодинамические полигоны подразделяются на:

Таблица 5.1 требуемая точность

Класс нивелирования

Средняя квадратическая ошибка

Допустимая невязка в полигонах и по линиям, мм

Случайная, мм/км

Систематическая, мм/км

I

0.8

0.08

3мм√L

II

2.0

0.20

5мм√L

III

5.0

–

10мм√L

IV

10.0

–

20мм√L

На локальных и площадных полигонах высотные сети создают в виде пересекающихся линий нивелирования I и II классов.

Высотные сети на локальных и площадных построениях привязывают к главной высотной основе России для получения высот в единой системе. Нивелирную сеть в этом случае рассматривают как свободную с опорой на один репер государственной нивелирной сети.

Высотные сети региональных построений входят в сеть государственного нивелирования I и II классов.

Требования к методике нивелирования, нивелирам и рейкам, порядок выполнения отсчетов на станции те же, что при производстве государственного нивелирования соответствующего класса.

При закреплении линий на геодинамических полигонах отдают предпочтение скальным и стенным реперам.

Все старые реперы и неработающие скважины, находящиеся на расстоянии 0,5 км от трассы линии нивелирования I класса и на расстоянии до 1 км от трассы линии II класса, обязательно привязывают к ним соответственно нивелированием I или II классов.

К неработающей скважине приваривают марку, которая служит вековым репером. Если на полигоне нет таких скважин, то закладывают вековой репер. На площадке на расстоянии 30 – 70 м от векового репера закладывают все типы грунтовых центров и реперов, применяемых на данном полигоне. Два раза в год (зимой и летом) нивелируют все реперы на площадке и сопоставляют полученные превышения. Типы реперов, явно неустойчивые, исключают из дальнейшего нивелирования.

Нивелирование I и II классов на геодинамических и техногенных полигонах – часть комплекса научных геофизических исследований, служащая для получения количественных характеристик деформаций земной поверхности. Поэтому измерения выполняют несколькими последовательными циклами. Интервал времени между повторным нивелированием устанавливают исходя из ожидаемых скоростей современных вертикальных движений земной коры.

При проектировании нивелирных сетей на техногенных полигонах расстояние между границей месторождения и реперами, считаемыми неподвижными, следует принимать равным 8–кратной глубине нижнего эксплуатируемого горизонта, но во всех случаях не менее 6 км. Проектируемые линии прокладывают в виде сетей или отдельных линий. Не менее чем от четырех пунктов (реперов) периметра нивелирного полигона, совпадающего с контуром месторождения, прокладывают ходы к реперам, которые считают неподвижными[7].

6. Процесс выполнения измерений

Что бы начать измерения нивелирования из середины, нивелир устанавливают посредине между точками Т1 и Т2, приводим его в рабочее положение, выбираем в устройстве подходящую программу. Устанавливаем рейки на точки Т1 и Т2, держа их строго по уровню. Наблюдатель выполняет наведение зрительной трубы на рейку и фокусирование. После нажатия кнопки пуск на корпусе нивелира процесс измерения протекает в автоматическом режиме. Автоматически считываются показания с датчика положения фокусирующего компонента, определяется положение чувствительного элемента компенсатора, в зависимости от интенсивности сигнала определяется время интегрирования для достижения необходимого уровня насыщения отдельного пикселя ПЗС–приемника, выполняются грубая и точная оптимизации [8].

(Анимация: 7 кадров, 9 циклов, 58кб)

7. Выводы

По окончанию написания магистерской диссертации должны получить следующие результаты:



Список источников

  1. Н. М. Рябова. Исследование и совершенствование методики нивелирования I и II классов с применением цифровых нивелиров. – Новосибирск, 2013.– 176 с.
  2. Г.В. Колесников, М.В. Киселев некоторые аспекты измерения превышений методом анализа штрих–кода//Геопрофи.– 2008.– № 1.
  3. В.В. Грошев и М.С. Романчиков. INTERGEO 2008 тенденции и перспективы дальнейшего развития технологий // Геопрофи.– 2008.– №5
  4. О.В.Евстафьев. Нивелиры – от оптических до электронных// Геопрофи.– 2003.– № 1
  5. Карсунская М.М. – Геодезические природных ресурсов, 2002. – 186с.
  6. Соболева, Е. Л. Совершенствование технологии нивелирования II класса с использованием цифровых нивелиров / Е.Л. Соболева // Современные проблемы геодезии и оптики: сб. науч. ст. / СГГА. — Новосибирск, 2006.
  7. Инструкция по нивелированию I II III IV классов. ГКИНП(ГИТА) –03–010–03.2004.– М.: ЦНИИГАиК,2004.– 226 с.
  8. Уставич, Г. А. Технология выполнения высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами / Г. А. Уставич // Геодезия и картография.– 2006.– № 2.