§ 23. Высотные съемки

Сущность и виды высотных съемок. Высотная отметка любой точки земной поверхности является ее третьей координатой — по­мимо двух плановых, определяемых в системе географических или прямоугольных координат. На картах, как известно, приводятся абсолютные высоты точек, т. е. высоты, определяемые относительно поверхности геоида (уровня моря). При высотных съемках местности невозможно каждый раз привязываться к уровню моря, поэтому за начальные (исходные) высоты принимают известные абсолютные высоты точек государственной высотной сети (§ 18).

Определение отметок высот точек сводится к установлению превышений h между известной высотой исходной точки и точкой, высоту которой требуется определить (рис. 102). Комплекс измерительных работ по определению высотных характеристик то­пографической поверхности изучаемой местности называется н и -велированием.

Нивелирование применяется для определения высот опорных точек государственной и съемочной сетей, при съемке местности, при всевозможных исследованиях, при строительстве дорог, водо- и газопроводов, гражданских, промышленных и других объектов.

Исходя из изложенного выше принципа нивелирования при этой работе измеряют разность высот определяемой точки В и опорного пункта А, высота которого известна, т. е. превышение h_AB (рис. 103). Искомая абсолютная высота точки В (Н_в) определяется алгебраиче­ским суммированием высоты исходной точки А с найденным пре­вышением: H_B = H_A-\-h_AB. Если точка В выше точки А, то превыше­ние положительное, в обратном случае оно отрицательное.

Физ

gg'S; _% у?™21!2»2^то_Чк,

Рис. 102. Принцип геометрического ни­велирования

Рис. 103. Соотношение абсолютной, условной и относительной высот

Нд известная высота точки А »,Ь отсчеты по нивелирным рейкам h превышение (h=a—Ь) Н, искомая высота точки В H."H_A+h

Чаще всего на снимаемом участке нет пункта с известной аб­солютной высотой (репера) ?В этом случае высоты точек аналогич­но определяют от условной уровненной поверхности и их называют

104

105

Рис. 104. Точка и сторо­жок

условными отметками. Соотношение абсолютной (Я) и условной (Я|) высот и превышения h точек приведено на рисунке 103. Как из­вестно, ограниченные участки местности, в пределах которых кривиз­на уровенной поверхности пренебрежительно мала, принимаются за горизонтальную плоскость (см. § 4), поэтому во время съемок систе­му таких уровенных поверхностей, изображенных на рисунке 103 в виде дуг, можно условно представить в виде горизонтальных параллельных прямых.

Основные методы нивелирования следующие: геометрическое, тригонометрическое, физическое и его разновидность — барометри­ческое.

§ 24. Геометрическое нивелирование

При съемке положение условной уровенной поверхности опреде­ляется горизонтальным направлением визирного луча геодезиче­ского прибора — нивелира, а величины отрезков а и b измеряют­ся с помощью устанавливаемых вертикально реек в точках с извест­ной и определяемой высотой (рис. 102).

Нивелир устанавливается посередине между точками А и В, зрительную трубу направляют сначала назад на рейку точки А, затем для определения переднего отсчета вперед на рейку точки В (превышение которой определяется). Ее принято называть передней, а точку А, относительно которой определяется п, задней; соответст­венно называют и рейки и пикетные точки, или пикеты (ПК) • Отсюда формула превышения h = a— b излагается так: превышение между двумя точками равно отсчету на заднюю рейку минус отсчет на переднюю рейку. На местности пикеты отмечают колышками, забиты­ми до уровня земли, и сторожками (рис. 104).

Приборы и средства геометрического нивелирования. Для про­ведения нивелирования необходимы: нивелир той или иной конст­рукции, штатив, на котором он устанавливается, две нивелирные рейки и нивелирные башмаки. Современные нивелиры по конструк­тивным особенностям делятся на две группы: нивелиры с цилиндри­ческим уровнем (уровенные нивелиры) и нивелиры с компенсато­рами (система качающихся призм, автоматически устанавливающая линию визирования в горизонтальное положение).

К первой группе нивелиров, например, относятся технический НВ-1 — глухой нивелир, у которого зрительная труба и цилиндриче­ский уровень наглухо скреплены между собой (рис. 105). Ко второй группе Н-10КЛ — нивелир с компенсатором углов наклона и лим­бом, со зрительной трубой прямого изображения.

Нивелиры в основном состоят из: зрительной трубы, снабженной сеткой нитей для взятия отсчетов по рейке, установочного уровня, обеспечивающего горизонтальное положение линии визирования, и подставки (треножника) с подъемными винтами для приведения прибора в горизонтальное положение. Труба насажена на верти­кальную ось, которая может вращаться во втулке подставки.

Рис. 105. Нивелир НВ-1

Нивелирные рейки (рис. 106) изготавливаются из деревянных брусков хвойных пород, как правило, трехметровые, двусторонние: основная шкала - черная, дополнительная - красная. Используют­ся также трех-четырехметровые складные рейки. Рейки окрашены белой краской, и деления нанесены в виде сантиметровых шашечек, оцифрованных через дециметр. Головки цифр направлены вниз, так как при визировании нивелиром их изображение будет перевер­нуто (исключение составляют нивелиры с прямым изображением зрительной трубы, например нивелир Н-10КЛ). Отсчет по рейкам делают с точностью до 1 мм (рис. 106). Начало счета (нуль рейки) расположен у окованного ее конца-пятки. Деления на красной стороне рейки сдвинуты относительно делений на черной стороне. В процессе нивелирования рейки устанавливают на колья.

Среди уровенных нивелиров большое распространение получили технические нивелиры, например НВ-1, предназначенные для геомет­рического нивелирования третьего и четвертого класса точности.

Рассмотрим его устройство (рис. 105, Л и Б). Зрительная труба / прибора, дающая перевернутое изображение, имеет внутреннюю фокусировку; перемещение фокусирово"но|^Рл^Уинзы осуществляется вращением винта 2. В окулярной части 3

107

106

щ		Eoi
50|		Dz3 Еэз
1*51		0%
Яр		Ей
ЕЙ		363
56| ill		EM 103
5f	a	Ei
й		,ii
ffll	i	Eii
Ей	i	1
sii	ч	P5
163	0	1^
6f		f^1
|65		h
"f		Ф
B7		253
681		Й'
Ей		2!3
7B|		Ei
|"l		14
If		E%
№
Чъ		29
Ш		Й9

Рис. 106. Нивелирная рейка. Рабочая (черная) и контрольная (красная) стороны

Рис. 107. Поле зрения зрительной трубы нивелира НВ-1. Слева — пузырек контактного уровня

(!)

Рис. 108. Поле зрения зрительной трубы нивелира Н-10КЛ

помещены окуляр, сетка нитей и микроскоп с призмой. В противоположной части трубы расположен объектив 5. Цилиндрический уровень с системой призм в оправе закрыт коробкой 6, прикрепленной к корпусу. Нивелир снабжен системой призм, делящей изображение пузырька уровня пополам по его продольной оси и передаю­щей изображения противоположных концов половинок в поле зрения трубы. Точная установка визирной оси трубы в горизонтальное положение осуществляется совме­щением изображений концов пузырька цилиндрического уровня, видимых в поле зрения трубы (рис. 107) при помощи элевационного винта 7.

Для грубого наведения трубы на рейку на корпусе трубы установлены целик 8 с мушкой 9. Точное наведение трубы на рейку осуществляется вращением наводящего винта 10. На треножнике имеются три подъемных винта 4.

На рисунке 107 видно поле зрения трубы при взятии отсчета. Сетка нитей прибора состоит из трех горизонтальных и одной вертикальной нитей. Основная рабочая нить сетки — средняя, по ней читаются отсчеты, две крайние короткие нити — дальномерные. В нашем примере отсчет равен 1280 мм.

Рассмотрим некоторые особенности нивелиров с компенсаторами.

Зрительная труба у нивелира Н-10КЛ¹ дает прямое изображение (рис. 108). Цилиндрический уровень у нивелира Н-10К.Л (рис. 109) заменен компенсатором с элементами в виде качающейся призмы, положение которых реагирует на направ-

¹ Н-10КЛ — буквы: Н — нивелир, К — компенсатор, Л — лимб, 10 — средняя квадратическая ошибка превышения на 1 км двойного нивелирного хода (в мм).

108

Рис. 109. Нивелир Н10КЛ

Рис. 110. Нивелирование хода

а,,а, отсчеты по

задней рейке

b,,b₂,b₃,b₄

отсчеты по передней рейке

h= h,+ h₂+h₃ + lu

h=a₀-b, + a_l-.b₂+a_s-b3+a_s-b*=

= Ia-Ib h = H_n- H₀

ление силы тяжести — маятником или свободной поверхности жидкости. Компен­сатор автоматически устанавливает линию визирования в горизонтальное положение. Тем самым отпадает трудоемкая работа по совмещению изображений концов пузырька уровня и по наблюдению за его положением при взятии отсчетов. Это способствует

существенному ускорению работ.

В нижнюю часть нивелира вмонтирован лимб со шкалой делений, градуиро­ванной через 1°, предназначенной для измерения горизонтальных углов.

В строительстве все большее применение находят лазерные нивелиры, в которых луч лазера в горизонтальном положении воз­действует на фотоэлементы рейки. Эти фотоэлементы передвигают вдоль рейки, и в момент их пересечения с горизонтальным лазерным лучом автоматически фиксируется отсчет.

Нивелирование. Если определение превышений между двумя точками производится с одной станции (станция — место постановки нивелира), то нивелирование называется простым. Нивелирование между точками, далеко отстоящими друг от друга или расположен­ными на сравнительно крутом склоне, проводят с нескольких стан­ций, образующих нивелирный ход. Такой вид нивелирования назы-

109

вается последовательным. Связующими точками называют точки (пикеты), общие для двух смежных станций.

Предварительно по трассе нивелирного хода проводится пикетаж (размечаются места станций и пикетных точек). Для этого через каждые 100 или 200 м (реже 50 м) забивают вровень с землей колы­шек и рядрм с ним второй колышек — «сторожок», который выходит на 15—20 см над уровнем земли. На сторожке отмечается номер пикета (рис. ПО). Счет пикетам ведется от начального колышка, который нумеруется нулем (ПКО), далее ПК 1, ПК 2 — и так до конца трассы. По номеру пикета легко определить пройденное рас­стояние от ПК 0, например 28 пикет показывает расстояние 28 X ЮО м = 2,8 км.

Точки, определяющие микроструктуру рельефа (перегибы скатов, небольшие котловинки или поднятия, характерные переломы линий и т. п.), как и углы поворота линии хода, очень редко совпадают с пикетами. Для того чтобы они были отображены на профиле, необходимо узнать их высотные отметки. В этих точках тоже заби­вают колышки и ставят сторожки и называют их плюсовыми, так как расстояние, измеренное до них от предыдущего пикета, плюсуют к их номерам (например, ПК16 + 38).

Инструмент поочередно устанавливается на станциях I, II, III и т. д., а рейки в точках (пикетах) 0, 1, 2, 3 и т. д. Превышения fti, Лг, Нз и т. д. определяют по линии хода между пикетами 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3 и т. д., т. е. между связующими точками. Таким образом, превышение последней и первой точек будет равно алгеб­раической сумме превышений между отдельными пикетами:

/г₀-_л = /г1+/г₂ + /гз + ...+/г_л = 2Л.

В замкнутом ходе сумма превышений теоретически должна быть равна нулю (2/г = 0). Ход, выполненный в прямом и обратном направлении по одной и той же линии нивелирования, является разновидностью замкнутого хода. В этом случае сумма превышений прямого хода должна быть равна сумме превышений обратного хода, но с обратным знаком: 2/г_пр =—%h_o6p}.

Нивелирование на каждой станции выполняется следующим образом: рейки устанавливают на пикетах, расстояния между кото­рыми на равнине составляют 100—200 м. На станции, посередине между пикетами, устанавливают нивелир и приводят трубу в горизон­тальное положение. Отсчеты по рейкам берут в такой последова­тельности: 1) по черной стороне задней рейки; 2) по черной стороне передней рейки; 3) по красной стороне передней рейки; 4) по красной стороне задней рейки. Результаты отсчетов по рейкам записывают в журнал геометрического нивелирования.

Следует учесть, что если начальные отсчеты по красным сторонам реек отличаются на 100 от начальных отсчетов по черным сторонам, то значение метров и дециметров берут по превышению, полученному по черным сторонам реек, усреднению подлежат только сантиметры и миллиметры. Убедившись, что полученные превышения по черной и

110

красной стороне реек одинаковы или не отличаются друг от друга больше чем на 4 мм, нивелир переносят на следующую станцию. Ход завершается съемкой последней точки трассы, отметка которой, как и начальной, известна заранее.

.Часто вследствие влияния ряда погрешностей выясняется высот­ная невязка. Предельная погрешность А за счет неточности взятия отсчетов по рейкам определяется по формуле Л ==±20 мм л[Ь, где L — длина хода в километрах.

Отметки плюсовых точек на станции вычисляют при помощи горизонта инструмента (ГИ), значение которого для данной станции получают суммированием абсолютной отметки задней точки и отсчета по черной стороне стоящей на ней рейки. Из значения ГИ вычитают отсчеты, взятые на плюсовые точки. По вычисленным высотным отметкам («отметкам Земли») строят профиль.

Географическая ситуация по обеим сторонам трассы (30—40 м с каждой стороны) фиксируется в пикетажной книжке в условных топографических знаках.

На пересеченной местности и, в частности, на крутых и коротких склонах использование нивелира затруднено, так как горизонталь­ный визирный луч аппарата может пройти выше задней рейки и упрется в землю ниже передней. В такой ситуации приходится вводить дополнительные станции и пикеты. Применение способа ватерпасовки позволяет избежать этого^

Ватерпасовка как наиболее простой вид геометрического нивелирования находит широкое применение в школьной практике и в краеведческой работе. Она незаменима при нивелировании и построении поперечных профилей оврагов, балок, крутых обрывов, валов, насыпей и т. п.

Инструментами для ватерпасовки служат две легкие рейки дли­ной около 2 м с сантиметровыми делениями и ватерпас — наклад­ной уровень. Принцип ватерпасовки представлен на рисунке 111. Одна рейка устанавливается вертикально, другая, имитирующая визирный луч нивелира,—

горизонтально (что конт- [|^ j₄

Рис. 111. Схема ватерпасовки

111

ролируется ватерпасом). Отрезок вертикальной рей­ки (установленной нулем вниз) от земли до гори­зонтальной рейки опреде­ляет превышение h двух соседних точек, а длина, отсчитанная по горизон­тальной рейке от земли до вертикальной,— заложение d. Сумма всех превышений дает относительную высо­ту первой и конечной то­чек, а сумма всех заложе­ний — горизонтальную про-

I	(Н"
Отвес
^	z
	|
V

екцию склона. Запись отсчетов по рейкам удобно вести в виде ступенчатого абриса (рис. 111), где указываются превышения (по вертикали) и заложения (по горизон­тали) в сантиметрах. По нему в камераль­ных условиях легко построить профиль. Скрепленные вместе вертикальная планка длиной в 1 м с отвесом и гори­зонтальная планка более короткая пред­ставляют собой школьный нивелир (рис. 112).

Рис. 112. Школьный нивелир

Нивелир устанавливают вертикально (по нитке с грузиком) в начальной точке. По верхнему ребру горизонтальной план­ки (заменяющей ось зрительной трубы нивелира) визируют по линии хода и от­мечают на склоне точку, куда попадает горизонтальный визирный луч. Превыше­ние этой точки над исходной будет равно 1 м. Затем последователь­но школьный нивелир переносят в другие точки по склону. Ведение абриса упрощается тем, что превышение между точками постоянно (1 м), поэтому записывается только горизонтальное расстояние между точками (по измерению шагами или рулеткой). В школе прибор применяется для измерения высоты крутого склона холма, речной долины, кургана и т. п.

Для производства тригонометрического нивелирования в началь­ной точке А (рис. 113) устанавливают инструмент с вертикаль­ным кругом; во второй точке В, высоту которой требуется опре­делить,— рейку. Обозначим буквами: h — искомое превышение точек А и В, D — горизонтальную проекцию склона, / — высо­ту инструмента, КВ = 1 — высоту точки визирования на рейке. Из рисунка видно, что h + / = КМ + /, отсюда h = KM-\-i — l. Из треугольника ОКМ: KM = D-tg а, следовательно, h = D-iga-\-+ /—/.

Удобнее при измерении угла наклона^ {а) визировать на метку, закрепленную на рейке на высоте "инструмента / = /, тогда при небольших углах наклона и расстоянии до 300 м используют со­ кращенную формулу: h = Dtga. , -v'

Контроль точности определения . превышений обеспечивается измерением прямого и обратного превышений и их равенством h_a6p = —h. Невязка в 3—4 см на^Ч^б'^м расстояния считается допустимой. ,-*-*>"«

Углы наклона определяются При -ломощи вертикального круга теодолита и кипрегеля. В качестве яримера рассмотрим принцип измерения вертикального угла а т е о дтз*ЗГит о м (#иег-Н4). Вер­тикальный круг б теодолита вращается)в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси % вместе-* с-ЧягЗйрной трубой Г, с ко­торой он скреплен. С помощью неподв"и"><?ной линейки — алидады 4