Исследование и совершенствование высокоточного инженерно-геодезического нивелирования цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами

Рахымбердина, Маржан Есенбековна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование и совершенствование высокоточного инженерно-геодезического нивелирования цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Исследование и совершенствование высокоточного инженерно-геодезического нивелирования цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами"

На правах рукописи

Рахымбердина Маржан Есенбековна

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫСОКОТОЧНОГО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫМИ НИВЕЛИРАМИ И ЭЛЕКТРОННЫМИ ТАХЕОМЕТРАМИ

25.00.32 — «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

11; :ол -313

Новосибирск - 2013

005531455

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Уставич Георгий Афанасьевич.

Официальные оппоненты: Мазуров Борис Тимофеевич,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «СГГА», профессор кафедры высшей геодезии;

Астраханцев Владимир Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», доцент кафедры инженерной геодезии.

Ведущая организация - ОАО «Производственное объединение

«Инженерная геодезия», г. Новосибирск.

Защита состоится 5 августа 2013 г. в 12-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 1 июля 2013 г. Учёный секретарь

диссертационного совета Середович В.А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 25.04.2013. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Обеспечение безопасной эксплуатации уникальных инженерных сооружений и применяемого на них оборудования требует проведения высокоточного инженерно-геодезического нивелирования.

Развитие геодезического приборостроения привело к созданию принципиально новых конструкций приборов, предназначенных для выполнения различных геодезических измерений, в том числе и с целью определения деформаций сооружений. К таким приборам относятся, в частности, цифровые нивелиры (ЦН) и электронные тахеометры (ЭТ), в том числе и роботизированные. Они обладают рядом уникальных технических характеристик: автоматизированным и быстрым процессом выполнения измерений, высокой точностью и удобством получения результатов измерений (компьютерной постобработкой результатов нивелирования, практически отсутствием субъективных ошибок исполнителя).

Однако до сих пор отсутствует нормативно-техническая документация (НТД) по технологии высокоточного инженерно-геодезического нивелирования, включающая в себя программы наблюдений на станции, порядок исследований и поверок цифровых нивелиров и электронных тахеометров, а также методик определения их метрологических характеристик. Это и определяет актуальность темы диссертационной работы.

Степень разработанности темы. Разработке геодезических методов, средств и технологических схем выполнения нивелирования с целью определения осадок и деформаций инженерных сооружений, а также исследованиям приборов для этих целей посвящёно значительное количество работ.

К настоящему времени в геодезической литературе недостаточно освещены вопросы применения ЦН для производства государственного нивелирования I и II классов. Это также относится и к применению ЦН для производства инженерно-геодезического нивелирования.

Существенный вклад в разработку методик нивелирования, а также в выполнение исследований новых геодезических приборов внесли отечественные и зару-

бежные учёные, такие как Васютинский И. Ю., Визиров Ю. В., Голыгин Н. X., 1Сирьянов Ю. В., Климов О. Д., Кочетов Ф. Г., Лебедев С. В., Мещерский И. Н., Михелев Д. Ш., Пискунов М. Е., Рязанцев Г. Е., Спиридонов А. И., Травкин С. В., Федосеев Ю. Е., Черепанов П. А., Ямбаев X. К., ХУоэсЬкг Н., Така1о М. и другие.

Также одной из актуальных задач, возникающих при производстве и эксплуатации ЦН, является определение их метрологических характеристик. К настоящему времени разработаны методики определения метрологических характеристик этих нивелиров в специализированных лабораториях при проведении технологических поверок. Однако количество таких лабораторий в России исчисляется единицами, а в Республике Казахстан они вообще отсутствуют. При разработке методик проведения метрологических исследований следует учитывать тот факт, что геодезические приборы по своему принципу применения должны быть юстируемыми, т. е. позволять производить поверку и необходимые исправления-юстировки в полевых условиях, а также контролировать заданные производителем их метрологические характеристики.

Цели и задачи исследований. Целью данной работы является исследование и совершенствование методики выполнения высокоточного инженерно-геодезического нивелирования с применением ЭТ и ЦН, а также методики проведения метрологической поверки (аттестации) системы «цифровой нивелир -штрих-кодовая рейка» в лабораторных и полевых условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методик метрологической аттестации системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка»;

- выполнить исследования точности измерения превышений ЦН, а также вертикального угла ЭТ при визировании короткими лучами в условиях влияния вибрации;

- разработать методику высокоточного нивелирования короткими лучами с использованием ЦН и тригонометрического нивелирования с применением

ЭТ, а также выполнить классификацию инженерно-геодезического нивелирования по разрядам получаемой точности, выполняемого ЦН и ЭТ;

- разработать методику технологической метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» в лабораторных и в полевых условиях;

- разработать лабораторный и полевой высотные стенды для определения величины средней квадратической ошибки (СКО) измерения превышения на нивелирной станции и на 1 км двойного хода.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются ЦН и ЭТ. Предметом исследования являются методика производства высокоточного нивелирования короткими лучами с применением ЦН и ЭТ, а также методика метрологической аттестации системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- результаты исследования влияния вибрации на точность измерения превышения ЦН и ЭТ позволили разработать методику компенсации этого влияния путем применения амортизационных подкладок;

- разработана программа наблюдений тригонометрического нивелирования короткими лучами с применением ЭТ, позволяющая получить точность измерения превышения на станции порядка 0,15 - 0,25 мм;

- разработана классификация инженерно-геодезического нивелирования, выполняемого ЦН и ЭТ, позволяющая регламентировать количество приемов измерений для достижения необходимой точности нивелирования;

- разработанная методика метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» позволяет с достаточной точностью и с малыми затратами контролировать метрологические характеристики ЦН в лабораторных и полевых условиях;

- результаты исследований позволили дать рекомендации по внесению дополнений в существующую локальную поверочную схему (ЛПС) для проведения аттестации нивелиров;

- разработанные лабораторный и полевой высотные стенды обеспечивают определение основной метрологической характеристики ЦН - СКО измерения превышения на нивелирной станции и на 1 км двойного хода.

Теоретическая значимость работы заключается в обосновании и разработке новой методики технологической поверки и калибровки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» с заданной в НТД величиной СКО в лабораторных и полевых условиях.

Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований позволяют оптимизировать технологию высокоточного инженерно-геодезического нивелирования с применением ЦН и ЭТ при определении осадок и деформаций инженерных сооружений и оборудования. Предложенные схемы нивелирования, а также лабораторные и полевые высотные стенды позволяют выполнить метрологическую поверку и калибровку системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» в лабораторных и полевых условиях (непосредственно на стройплощадке).

Результаты исследований внедрены в производство, а также в учебный процесс Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева и Сибирской государственной геодезической академии.

Методы исследований. Методика исследований включает в себя проведение теоретических исследований, а также апробацию и экспериментальную реализацию в лабораторных и производственных условиях.

На защиту выносятся:

- результаты исследований влияния вибрации на измеряемые превышения на станции ЦН и ЭТ;

- программы наблюдений на станции при выполнении высокоточного тригонометрического нивелирования короткими лучами ЭТ;

- классификация инженерно-геодезического нивелирования, выполняемого ЦН и ЭТ;

- методика проведения метрологической аттестации системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» с использованием предлагаемых лабораторного и полевого высотных стендов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации 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 нормативных документов для метрологического обеспечения геодезических средств измерений. Создание и функционирование эталонных геодезических полигонов, базисов и компараторов для поверки, калибровки и аттестации геодезических средств измерений.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Основные положения, разработанные в диссертационной работе, реализованы в учебном процессе ВКГТУ им. Д. Серикбаева и СГГА, а также при выполнении хоздоговорных работ по определению осадок и деформаций сооружений и оборудования в вышеназванных учебных заведениях. Результаты экспериментальных исследований использованы для составления актов метрологических характеристик цифровых нивелиров Trimble DiNil2.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных Международных научных конгрессах «Гео-Сибирь» в 2007 - 2011 гг., «Интерэкспо ГЕО-Снбирь» в 2012 - 2013 гг. (Россия, г. Новосибирск), Международной научно-практической конференции «Роль университетов в создании инновационной экономики» (г. Усть-Каменогорск, 2008 г.), Международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами» (г. Усть-Каменогорск, 2010 г.), Международной научно-технической конференции Ма-шимовские чтения: «Проблемы и перспективы развития государственной геодезической сети Республики Казахстан» (г. Усть-Каменогорск, 2012 г.).

Публикации по теме диссертации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, из них 2 статьи опубликованы в журналах, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка литературы (163 наименования, из них 17 - на иностранных языках) и 1 приложения, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 23 таблицы, 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, их научная новизна, теоретическая и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены методики производства государственного и инженерно-геодезического нивелирования, выполнен анализ основных источников ошибок при выполнении государственного и инженерно-геодезического нивелирования, а также способов монтажа и определения деформаций инженерных сооружений и оборудования.

На основании выполненного анализа современного состояния инженерно-геодезического нивелирования ЦН и ЭТ сформулированы задачи исследований.

3,80 5,70 10,81 17,44 21,80 25,60 31,00 41,50

Расстояние, м

-А- величина ошбки "взгляда" -•-величина ошибки превышения

а)

3,80

Во втором разделе диссертации представлены результаты исследований по разработке методики производства инженерно-геодезического нивелирования ЦН и ЭТ.

Одним из основных факторов, влияющих на производство нивелирования на промплощадке, является влияние горизонтальной и вертикальной вибрации на систему «штатив -геодезический прибор». Так, влияние вибрации на систему «штатив - цифровой нивелир» приводит к тому, что компенсатор начинает совершать непрерывные угловые колебания относительно отвесной линии, вследствие чего оказывается невозможным взятие отсчёта по рейке. Влияние вибрации на измерения тахеометром также приводит к значительному ухудшению результатов измерений.

Для определения влияния вибрации на результаты нивелирования ЦН и ЭТ были выполнены исследования в лабораторных условиях и во время выполнения производственных работ.

Измерения в производственных условиях выполнялись в непосредственной близости от работающих турбоагрегатов. Графическое представление результатов измерений ЦН приведено на рисунке 1.

5,70 10,81 17,44 21,80 25,60 31,00 41,50 Расстояние, м величина ошибки "взгляда" величина ошибки превышения

б)

3,80

5,70 10,81 17,44 21,80 25,60 31,00 41,50 Расстояние, м

- величина ошибки "взгляда"

- величина ошибки превышения

в)

Рисунок 1 - Величины СКО «взгляда» и измерения превышений в производственных условиях без амортизационных подкладок: а) при амплитуде вибрации А = 10 - 25 мкм; б) при А = 30 - 40 мкм; в) при А = 40 - 55 мкм

Расстояние, м

величина ошибки "взгляда* -♦-величина ошибки превышения

а)

Расстояние,м

-а- величина ошибки "взгляда" величина ошибки превышения

б)

Расстояние, м

величина ошибки 'взгляда" -«- величина оонбки превышения

В)

Рисунок 2 - Величины СКО «взгляда» и измерения превышений в производственных условиях с применением амортизационных подкладок: а) при амплитуде вибрации А = 10 - 25 мкм; б) при А = 30 - 40 мкм; в) при А = 40 - 55 мкм

Установлено, что при амплитуде колебаний 40 - 55 мкм часто происходит сбой отсчётов по рейке, а при амплитуде колебаний свыше 60 - 80 мкм измерения выполнять вообще невозможно.

С целью ослабления влияния вибрации на систему «штатив - цифровой нивелир» выполнены измерения с применением амортизационных подкладок (см. рисунок 2). На основании выполненных исследований можно сделать вывод, что применение подкладок позволяет ослабить влияние вибрации на 30 % - 40 %.

Следующим этапом исследований было изучение влияния вибрации на систему «штатив - электронный тахеометр». При этом под средней квадратической ошибкой задания направления понималось суммарная величина ошибок визирования тта и отсчёта тотсч по лимбу:

тг„=тгвш+т2отсч. (1)

При этом средняя квадратическая ошибка измерения угла наклона одним полуприёмом полагалась равной

т'р-тнл12, (2)

а при полном приёме тр

тР (3)

Измерения в условиях влияния вибрации выполнялись с целью определения возможности применения тригонометрического нивелирования для определения осадок и деформаций сооружений в этих условиях. При выполнении работ длина визирного луча колебалась от 5,0 до 100,0 м.

Установлено, что ошибка наведения и измерения углов наклона меньше, чем ошибка наведения и измерения горизонтального угла. Это обусловлено тем, что компенсатор позволяет однозначно задавать отвесную линию даже в условиях влияния вибрации. Применение амортизационных подкладок также позволяет уменьшить на 30 % - 40 % ошибки измерения углов наклона (рисунок 3).

11,6 Т Т -1-1-1-1-1

5,5 8,3 10,5 25,5 35,5 52,0 75,0 101,8

Расстояние,м

-*- ошибка наведения -•-ошибка измерения угла наклона

а)

Расстояние,м

-*-ошибка наведения -♦-ошибка измерения угла наклона

б)

Расстояние, м

ошибка наведения

ошибка измерения угла наклона

в)

Рисунок 3 - Величины СКО наведения и измерения углов наклона в производственных условиях с применением амортизационных подкладок: а) при амплитуде вибрации А = 10-25 мкм; б) при А = 30 - 40 мкм; в) при А = 40 - 55 мкм

Влияние вибрации на измеренные расстояния зависит от величины самого расстояния. Так, при амплитуде колебаний в пределах 10-20 мкм и расстоянии 112 м ошибка измерения оказалась равной 15-20 мм. При амплитуде колебаний 40 - 45 мкм значения этого расстояния изменялись на 40 - 60 мм. Применение амортизационных подкладок уменьшает влияние вибрации на 80 % - 90 %.

При выполнении нивелирования ЦН для определения осадок и деформаций сооружений разработаны пять разрядов нивелирования и соответствующие программы наблюдений на станции. Следующим этапом исследований была разработка классификации разрядов инженерно-геодезического нивелирования (таблица 1).

Таблица 1 - Разряды нивелирования с применением цифровых нивелиров

Разряд Предельная длина визирного луча, м 2 § £ -с £ Число измеряемых превышений на станции Допустимая высота луча над препятствием и над пяткой рейки, мм Неравенство плеч, м Увеличение зрительной трубы, не менее х Точность самоустановки компенсатора т"к

на станции в секции

1 10 0,15 4 0,2-0,5 од - 30 0,1"

2 25 0,25 4 0,2-1,5 0,3 2,0 30 0,1"

3 50 0,50 2 1,0-2,0 1,0 2,0 30 0,5"

4 75 1,00 2 1,0-3,0 2,0 5,0 25 0,5"

5 100 3,00 2 - - - 20 1,0"

Для обеспечения применения тригонометрического нивелирования на промплощадке разработаны три программы работ на станции с учетом возможного оседания системы «штатив - электронный тахеометр», а также изменения величины места нуля (МО) (рисунки 4,5):

а) первая программа: Зкл, Пкл, Пкп, Зкп:

б) вторая программа: Зкл, Пкл, Зкп, Пкп ~ Пкл, Зкл, Пкп, Зкп',

в) третья программа: Зкл, Зкп, Пкл, ПКп - Пкл, Пкп, Зкл, Зкп■

При реализации первой программы наблюдений на станции измерения проводятся в следующей последовательности (рисунок 4):

1-й горизонт Зкл, Пкл, Пш Зш; 1-й горизонт Зкл, Пкл, Пкп, Зкп\

или

2-й горизонт Зкл, Пкл, Пкп, Зкп, 2-й горизонт Пкл, Зкл, Зкп, Пкп.

Рисунок 4 - Влияние оседания системы «штатив - электронный тахеометр» на измеряемое превышение при симметричном наведении на визирную цель по первой программе: а) при 1-м горизонте; б) при 2-м горизонте

При реализации второй программы наблюдений на нивелирной станции при двух горизонтах измерения рекомендуется производить в следующей последовательности (рисунок 5, а, б):

1-й горизонт Зкл, Пкл, Зкп, Пкп\ 2-й горизонт Пкл, Зкл, Пкп, Зкп. В этом случае общая программа наблюдений на станции при двух горизонтах будет симметричной.

При реализации третьей программы наблюдений на нивелирной станции при двух горизонтах измерения предпочтительнее производить следующим образом (рисунок 5, в, г):

1-й горизонт Зкл, Зкп, Пкл, ПКп, 2-й горизонт Пкл, Пкп, Зкл, 3Кп-

а) б)

Рисунок 5 - Влияние оседания системы «штатив - электронный тахеометр» на измеряемое превышение при одном и двух приемах: а) по второй программе при 1-м горизонте; б) по второй программе при 2-м горизонте; в) по третьей программе при 1-м горизонте; г) по третьей программе при 2-м горизонте

Из анализа трёх программ наблюдений одним приёмом следует, что практически полностью компенсация величины оседания системы «штатив - электронный тахеометр» происходит при применении первой программы. При применении двух других программ нивелирование необходимо выполнять при двух горизонтах.

В результате выполненных производственных работ установлено, что величина оседания системы «штатив - электронный тахеометр» под влиянием

вертикальной вибрации (вследствие расползания ножек штатива) на гладком бетонном основании за время измерения угла наклона достигает 0,3 - 1,2 мм.

В диссертации рассмотрено влияние изменения МО на результаты тригонометрического нивелирования с использованием трёх программ наблюдений при измерении превышения при одном и (или) двух горизонтах. Из анализа трёх программ наблюдений следует, что компенсация величины изменения МО вертикального круга происходит при одном (по первой программе) и при двух (для всех программ) горизонтах.

Если измерение превышения производится при одном круге (круге лево (КЛ) или круге право (КП)), то СКО измерения превышения при нивелировании способом из середины будет равна

/? (4)

где твзгл - величина ошибки «взгляда» на один отражатель.

При измерении одним приёмом средняя квадратическая ошибка измеренного превышения на станции будет равна

тъСТ = твзгл, (5)

а ошибки «взгляда» -

т] йш2 а + ^Б2 сов2 а + т2е + т]т + т2т + т2еер ; (6)

где та - средняя квадратическая ошибка измерения угла наклона; - средняя квадратическая ошибка измерения наклонного расстояния; _ ошибка, обусловленная наклоном отражателя; теи1 - ошибка визирования; тв„ -

ошибка, вызванная влиянием внешних условии^ вер - ошибка, вызванная возможным вертикальным перемещением системы «штатив - тахеометр».

Измерение превышения можно производить путем наведения трубы (рисунок 6, а) на штрих 1 (или пленку) короткой инварной рейки или на марку 2, полученную кернением в виде перекрестья 3 (рисунок б, б) или в виде углубления 4 на строительной конструкции.

Если здание закрывается сайдингом, то на высоте 0,8 - 1,2 м делается отверстие 1 (рисунок 7, а) диаметром 25-30 мм и к стене приклеивается светоотражающая пленка 2, на которую тахеометром будет производиться измерение. Если же сайдингом закрывается

а)

б)

Рисунок 6 - Схемы визирования на осадочные марки: а) наведение на стандартную марку; б)кернение

только первый этаж, то марка 3 закладывается выше; в простейшем случае она может представлять собой саморез с шайбой.

/////////У/У/////7///////

а) б)

Рисунок 7 - Схемы закладки марок: а) на сайдинге здания; б) на облицовочной плитке здания

При наличии облицовочной плитки также между ней на стыках завинчивается саморез 4 с шайбой (рисунок 7, б) или на решётке окна зачищается небольшая область и керном наносится перекрестье 5.

Ниже приведена рекомендуемая классификация разрядов тригонометрического нивелирования (таблица 2).

Таблица 2 - Разряды тригонометрического нивелирования

Разряд Длина визирного луча, м СКО измерения угла наклона СКО измерения расстояния, мм Число приемов Высота визирования над пяткой, м Максимальный угол наклона 2 а ё «« Неравенство плеч, м

1 10 2,0" 2,0 4 0,3 2° 0,15 2,0

2 25 2,0" 2,0 2 0,5 Зи 0,25 5,0

3 50 2,0" 2,0 2 1,0 Зи 0,50 10,0

4 75 3,0" 5,0 2 1,0 5й 1,00 10,0

5 100 3,0" 5,0 1 2,0 10° 3,00 -

В третьем разделе изложены результаты разработки и совершенствования методики метрологической поверки ЦН и ЭТ. Предложены методики исследования системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка», применимые в лабораторных и полевых условиях.

Методика поверки ЦН с применением микрометренного винта основана на измерении приращения превышения (эталонного превышения), которое рекомендуется задавать микрометренным винтом (рисунок 8). Для её реализации необходимо иметь помещение с равномерным освещением длиной 25-30 м и стандартный микро-метренный винт с диапазоном измеряемых перемещений не менее 25 мм, обеспечивающий СКО измерения этих перемещений, равную 0,005-0,010 мм. Изменение высоты наконечника винта, и, следовательно, рейки можно осуществлять двумя способами.

В первом способе высота изменяется на весь предел работы микрометра, например, на 25,000 мм. В этом случае после установки рейки на винт при за-

реика

Рисунок 8 - Поверка нивелира с применением микрометренного винта

данном горизонте нивелира по ней производится 15-20 отсчётов с последующим нахождением среднего значения bcpj. Затем рейка снимается, винт поднимается на 25,000 мм и по рейке снова производится 15 - 20 отсчётов с последующим нахождением среднего значения Ьср2- Для повышения точности измерений при заданном горизонте можно выполнить несколько таких измерений. После этого изменяется высота горизонта и измерения повторяются для всей длины рейки. Измерения производятся в прямом и обратном направлениях.

Методика поверки с изменением горизонта нивелира. Сущность данной методики состоит в том, что в точке А' устанавливается цифровой нивелир, а в точках В' и С' на расстоянии 4-5 м от нивелира - штрих-кодовые рейки (рисунок 9). Превышение между рейками может быть небольшим: 50-170 мм.

После начала измерений штатив первоначально опускается с таким расчётом, чтобы можно было измерить превышение, используя нижние части реек. После этого по каждой из реек производится по 15 - 20 отсчётов (bi и с/), и по уклонениям от среднего вычисляется величина ошибки «взгляда», а на основании средних отсчётов (Ьср и сср) - превышение для данного горизонта инструмента. Затем производится изменение горизонта нивелира (его подъём) на 8 —10 см и аналогичным образом выполняются измерения и вычисления отсчётов (¿2 и с2, ..., Ьп и с„). Изменение горизонта нивелира производится до тех пор, пока измерение превышения не будет выполнено по всей длине реек. После этого производятся измерения превышения в обратном направлении.

При исправной работе системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» превышения, полученные при разной высоте горизонта инструмента, а также в прямом и обратном ходах, должны быть равны между собой (в пределах точности измерений), то есть

К = ЬЧЛ - <>|' К = ЬсРг - Ссрг' • ■• • > К = Кп ~ Ссрп И (7)

th=h2=h3=... = hn.

Величины разностей ¡г, = Д, й2-й,=Д, ..., V, = А будут свидетельствовать о качестве работы системы «цифровой нивелир -штрих-кодовая рейка».

_ е»---

, 2ч--"ч с2

-и

Для обеспечения более полной метрологической аттестации системы «нивелир - рейка» предлагается внести в существующую локальную поверочную схему

Рисунок 9 - Поверка нивелира путем измерения превышений с изменениями горизонта нивелира

С'

РД 68-8.17-98 «Локальные поверочные схемы для средств измерений топогра-фо-геодезического и картографического назначения» для нивелиров следующие дополнения:

- в исходный эталон (ИЭ) (высотный стенд) для геометрического нивелирования короткими лучами принять дополнительно величину средней квадра-тической ошибки измерения превышения на станции т /, сх, равную 0,02 мм;

- в ИЭ для рабочих средств измерений принять дополнительно среднюю квадратическую ошибку измерения превышения на станции т,, ст, равную 0,05 мм;

- дополнить существующую ЛПС методикой аттестации системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».

Для проведения метрологической аттестации нивелиров, а также тахеометров (для производства инженерно-геодезического нивелирования короткими лучами) разработаны схемы лабораторного и полевого стендов (рисунки 10, 13). Для определения превышения между марками можно производить измерения на каждую из восьми точек стенда в любых комбинациях. Для определения ошибки «взгляда» и измерения превышения одна из восьми марок представляет собой вертикально установленный высокоточный микрометренный винт. Для

определения ошибки измерения превышения тахеометром вместо реек устанав-

Рисунок 10 - Схема лабораторного стенда для аттестации нивелиров

ливаются светоотражающие пленки.

3'*65" 1 На рисунках 11 и 12 приве-

дены схемы определения средней квадратической ошибки измерения превышения, соответственно, на 1 км двойного хода длинными и короткими лучами. При выполнении исследований нивелир устанавливается в точке В и аналогично способу круговых приёмов производится измерение превышения по ходу: (1-4-58-1) или (2-3-6-7-2) с обязательным изменением горизонта нивелира между превышениями.

Для аттестации нивелиров в полевых условиях предложена схема полевого компаратора. Рисунок 12 - Схема определения средней Сущность схемы аттестации ни-

квадратической ошибки измерения

велиров заключается в том, что

превышения на 1 км хода нивелированием

все наблюдения выполняются с

короткими лучами

металлической тумбы высотой 1,2-1,5 м, установленной в центре бетонной площадки (рисунок 13), вокруг которой по окружности в восьми - десяти направлениях на расстояниях 10; 20; 35; 50; 65; 75; 100 м закреплены реперы, на которые устанавливаются рейки или отражатели. Превышения между реперами должны быть не менее 0,3 - 0,5 м. Посередине между точками 1 - 2, 2 - 3,..., 8 -1 на радиусах в 75,0 м и 100,0 м также обустраиваются небольшие площадки

Рисунок 11 - Схема определения средней квадратической ошибки измерения превышения на 1 км двойного хода

с твердым грунтом (или они бетонируются) с целью определения с них превышений короткими лучами между точками 1 - 2,2 - 3,..., 8 - 1.

При выполнении аттестации измерения производятся по замкнутому кругу. В зависимости от длины нивелирных плеч, длина хода в Ь=\ км должна набирать определённое число кругов, что составляет одну серию наблюдений. 7

Преимущества стенда и методики следующие: более полно выявляется инструментальная ошибка нивелира; отсутствует влияние от перемещения штатива и костылей; уменьшаются затраты

Рисунок 13 - Схема полевого нивелирного

времени на переходы наблюдателя.

стенда

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполненных в диссертации исследований получены следующие результаты:

- анализ способов, методик поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» показал необходимость разработки и совершенствования методик производства инженерно-геодезического нивелирования, а также разработки методик выполнения технологической метрологической поверки данной системы;

- оценка точности нивелирования с помощью ЦН, а также измерения углов наклона ЭТ в условиях влияния вибрации позволила усовершенствовать методику инженерно-геодезического нивелирования;

- предложенная методика инженерно-геодезического нивелирования короткими лучами с применением ЭТ предназначена для определения осадок и деформаций инженерных сооружений и оборудования;

- разработанная классификация инженерно-геодезического нивелирования, выполняемая ЦН и ЭТ, позволяет регламентировать методику и условия его выполнения в зависимости от требуемой точности;

-разработанную методику метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» можно рекомендовать для проведения внеочередных поверок, как в лабораторных, так и в полевых условиях;

-по результатам исследований предложены дополнения в существующую ЛПС, позволяющие облегчить метрологическую поверку ЦН;

-разработанные лабораторный и полевой высотные стенды позволяют надежно определять метрологические характеристики - СКО измерения превышения на нивелирной станции и на 1 км двойного хода;

— усовершенствованная методика инженерно-геодезического нивелирования, а также метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка» применяются при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ в СГТА и ВКГТУ им. Д. Серикбаева.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1 Уставич, Г. А. Исследование цифровых нивелиров и реек [Текст] / Г. А. Уставич, Н. М. Рябова, В. Г. Сальников, М. Е. Рахымбердина // Геодезия и картография. - 2011. - № 4. - С. 9 - 15.

2 Ашраф, А. Бешр. Исследование влияния вибрации на точность измерений цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами [Текст] / А. Бешр Ашраф, Н. М. Рябова, В. Г. Сальников, А. Н. Теплых, М. Е. Рахымбердина // Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 3. - С. 123 - 126.

3 Ашраф, А. Бешр. Исследование влияния вибрации на точность измерений цифровыми нивелирами [Текст] / А. Бешр Ашраф, Н. М. Рябова, В. Г. Сальников, А. Н. Теплых, М. Е. Рахымбердина // ГЕО-Сибирь-2010: сб. материалов

VI Междунар. науч. конгр. «ПЮ-Сибирь-2010», 19 - 29 апр. 2010 г., Новосибирск. Т. 1, ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 2010 - С. 28 - 33.

4 Уставич, Г. А. Разработка программ наблюдений тахеометром на нивелирной станции способом из середины [Текст] / Г. А. Уставич, M. Е. Рахымбер-дина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013: сб. материалов IX Междунар. науч. конгр. «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», 24 - 26 апр. 2013 г., Новосибирск. Т.1, ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 2013 - С. 163 - 168

5 Рахымбердина, M. Е. Проблемы метрологического обеспечения геодезических предприятий в Казахстане [Текст] / M. Е. Рахымбердина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013: сб. материалов IX Междунар. науч. конгр. «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», 24 - 26 апр. 2013 г., Новосибирск. Т.1, ч. 1. - Новосибирск: СГГА, 2013-С. 158-162

6 Хасенов, К. Б. Научно-методологические основы разработки полевого компаратора для метрологического обеспечения нивелиров в стесненных условиях [Текст] / К. Б. Хасенов, Г. А. Уставич, M. Е. Рахымбердина, К. М. Калеева // Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологий для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости: материалы XI Междунар. науч.-практич. конф., 27 мая - 03 июня

2007 г., Португалия. - М.: МИИГАиК, 2007. - С. 31 - 35.

7 Уставич, Г. А. Совершенствование схем метрологической аттестации цифровых нивелиров и реек [Текст] / Г. А. Уставич, К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: материалы Междунар. науч. конф., 18 - 19 сент. 2012 г., Алматы. - Алматы: КазНТУ, 2012. -С. 188- 193.

8 Хасенов, К. Б. Способ определения и исправления угла i у нивелиров [Текст] / К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина, К. У. Сыдыков // ГЕО-Сибирь-2008: сб. материалов IV Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2СЮ8», 19 - 24 апр.

2008 г., Новосибирск. Т. 1, ч. 1. - Новосибирск: СГТА, 2008 - С. 235 - 238.

9 Хасенов, К. Б. Методика определения средней квадратической погрешности измерения превышения на 1 км хода на полевом компараторе в стесненных условиях [Текст] / К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012: сб. материалов VIII Междунар. науч. конгр. «Интерэкспо ПЮ-Сибирь-2012», 10 - 20 апр. 2012 г., Новосибирск. Т. 1. - Новосибирск: CITA, 2012 - С. 128 - 132.

10 Уставич, Г. А. К вопросу метрологического обеспечения нивелиров [Текст] / Г. А. Уставич, К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина, К. М. Калеева // Перспективы развития водо- и энергосберегающих технологий и охраны труда: сб. материалов Междунар. науч.-практич. конф., 24 - 25 мая 2007 г., Алматы. -Алматы: КазГАСА, 2007. - С. 94 - 97.

11 Уставич, Г. А. Создание нивелирной сети в условиях вечной мерзлоты [Текст] / Г. А. Уставич, М. А. Олейник, M. Е. Рахымбердина // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: материалы междунар. конф., 3-7 сент. 2010 г., - Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2010. - С. 202 - 207.

12 Хасенов, К. Б. К вопросу метрологического обеспечения электронных тахеометров [Текст] / К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина // Инновационные технологии в образовании и науке: сб. науч. трудов II междунар. науч.-методич. конф., 9-10 нояб. 2007 г., Зыряновск. Ч. 1. - Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2007. -С. 364-367.

13 Никонов, А. В. Исследование точности измерения превышений электронными тахеометрами высокой точности в полевых условиях [Текст] / А. В. Никонов, M. Е. Рахымбердина // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1(21). - С. 16 - 26.

14 Рахьмбердина, M. Е. К вопросу метрологического обеспечения нивелиров [Текст] / M. Е. Рахымбердина // Вестник ВКГТУ. - 2007. - № 3. - С. 31 - 35.

15 Хасенов, К. Б. Определение угла i с одной стоянки нивелира [Текст] / К. Б. Хасенов, M. Е. Рахымбердина // Вестник ВКГТУ. - 2008. - № 4. - С. 26 - 29.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Рахымбердина, Маржан Есенбековна, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

25.00.32 - «Геодезия»

Диссертация на соискание учёной степени I*4* кандидата технических наук

о „

СО 52 СО я

О °

см Я

Научный руководитель -^ доктор технических наук, профессор

^ Уставич Георгий Афанасьевич

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ................. 11

1.1 Производство государственного и инженерно-геодезического нивелирования....................................................................................... 11

1.2 Анализ основных источников ошибок при выполнении государственного и инженерно-геодезического нивелирования..................... 25

1.3 Анализ способов монтажа и определения деформаций инженерных сооружений и оборудования в горизонтальной плоскости.................... 36

1.4 Постановка задач исследований.............................................. 40

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ ТАХЕОМЕТРАМИ И ЦИФРОВЫМИ НИВЕЛИРАМИ................................................... 43

2.1 Оценка влияния вибрации на точность измерений цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами................................................. 43

2.1.1 Оценка влияния вибрации на систему «штатив - цифровой нивелир»....................................................................................... 43

2.1.2 Определение влияния вибрации на систему «штатив - электронный тахеометр»......................................................................... 52

2.2 Совершенствование методики геометрического инженерно- у геодезического нивелирования цифровыми нивелирами..................... 58

2.3 Разработка программы наблюдений электронным тахеометром на нивелирной станции способом «из середины».................................. 65

2.3.1 Нивелирование при одном горизонте тахеометра........................ 65

2.3.2 Нивелирование при двух горизонтах тахеометра............................. 73

2.4 Разработка программы наблюдений тахеометром на нивелирной станции веерообразным способом.................................................. 74

2.5 Оценка влияния изменения места нуля на результаты тригонометрического нивелирования............................................................... 78

2.6 Разработка и совершенствование методики тригонометрического

инженерно-геодезического нивелирования короткими лучами............. 82

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК ВЫСОКОТОЧНОГО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ....................................... 95

3.1 Современный подход к классификации геодезических приборов...... 95

3.2 Основные технические характеристики тахеометров и нивелиров, подлежащие метрологической аттестации....................................... 100

3.3 Некоторые вопросы совершенствования ведомственной системы метрологического обеспечения геометрических параметров цифровых нивелиров......................................................................................................... 104

3.4 Разработка методики метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».................................................. 110

3.4.1 Современное состояние метрологической поверки системы «цифровой нивелир - штрих-кодовая рейка».......................................... 110

3.4.2 Методика поверки с применением микрометренного винта....... 112

3.4.3 Методика поверки с изменением горизонта цифрового нивелира.... 117

3.5 Методика определения средней квадратической ошибки измерения превышения на станции для исходного эталона ЛПС.......................... 121

3.6 Разработка лабораторного и полевого высотных стендов для метрологической поверки нивелиров и тахеометров.................................. 125

3.6.1 Разработка схемы лабораторного компаратора........................... 125

3.6.2 Разработка схемы полевого высотного стенда..................................... 132

3.6.3 Метрологическая поверка высокоточного нивелира для выполнения государственного нивелирования I и II классов........................... 134

3.6.4 Метрологическая поверка тахеометров.................................... 135

3.7 Математическая обработка результатов поверки нивелиров............ 144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 150

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 151

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

НИВЕЛИРОВ С ВИЗУАЛЬНЫМ

ОТСЧИТЫВАНИЕМ НА ВЫСОТНОМ СТЕНДЕ..... 169

ВВЕДЕНИЕ

Степень разработанности темы. Разработке геодезических методов, средств и технологических схем выполнения нивелирования с целью определения осадок и деформаций инженерных сооружений, а также исследованиям приборов для этих целей посвящено значительное количество работ.

Существенный вклад в разработку методик нивелирования, а также в выполнение исследований новых геодезических приборов внесли отечественные и зарубежные учёные, такие как Васютинский И. Ю., Визиров Ю. В., Голыгин Н. X., Кирьянов Ю. В., Климов О. Д., Кочетов Ф. Г., Лебедев С. В., Мещерский И. Н., Михелев Д. Ш., Пискунов М. Е., Рязанцев Г. Е., Спиридонов А. И., Травкин С. В., Федосеев Ю. Е., Черепанов П. А., Ямбаев X. К., АД/оБСІїіїг Н., Такаїо М. и другие.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику высокоточного нивелирования короткими лучами с использованием ЦН и тригонометрического нивелирования с применением ЭТ, а также выполнить классификацию инженерно-геодезического нивелирования по разрядам получаемой точности, выполняемого ЦН и ЭТ;

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований позволяют оптимизировать технологию высокоточного инженерно-геодезического нивелирования с применением ЦН и ЭТ при определении осадок и деформаций инженерных сооружений и оборудования. Предложенные схемы нивелирования, а также лабораторные и полевые высотные стенды позволяют выполнить метрологическую поверку и калибровку системы «цифровой нивелир -штрих-кодовая рейка» в лабораторных и полевых условиях (непосредственно на стройплощадке).

На защиту выносятся:

- результаты исследований влияния вибрации на измеряемые превышения на станции ЦН и ЭТ;

- классификация инженерно-геодезического нивелирования, выполняемого ЦНиЭТ;

ваний использованы для составления актов метрологических характеристик цифровых нивелиров Trimble DiNil2.

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на ежегодных Международных научных конгрессах «Гео-Сибирь» в 2007 - 2011 гг., «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» в 2012 - 2013 гг. (Россия, г. Новосибирск), Международной научно-практической конференции «Роль университетов в создании инновационной экономики» (г. Усть-Каменогорск, 2008 г.), Международной конференции «Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами» (г. Усть-Каменогорск, 2010 г.), Международной научно-технической конференции Машимовские чтения: «Проблемы и перспективы развития государственной геодезической сети Республики Казахстан» (г. Усть-Каменогорск, 2012 г.).

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ

1.1 Производство государственного и инженерно-геодезического

нивелирования

Существующая схема создания и обновления государственной нивелирной сети I, II, III и IV классов была разработана в СССР и принципы её развития в России и в Республике Казахстан не изменились до настоящего времени.

Структура схемы нивелирной сети включает в себя государственную нивелирную сеть, нивелирные сети на геодинамических полигонах, а также локальную высотную нивелирную сеть специального назначения. Для строительства инженерных сооружений, особенно линейных, дополнительно к государственной нивелирной сети I, II, III и IV классов применяется нивелирование технической точности.

Согласно назначению государственная нивелирная сеть предназначена для решения научных и практических задач, связанных с хозяйственной деятельностью и обороноспособностью России и Республики Казахстан (РК); она также является главной высотной основой топографических съёмок всех масштабов.

Государственная нивелирная сеть подразделяется на нивелирную сеть I, II, III и IV классов (рисунок 1.1).

Высокоточная нивелирная сеть I и II классов СССР предназначалась для создания и распространения на всей территории единой системы высот. За начало счёта высот в нивелирной сети СССР был принят нуль Кронштадтского футштока, регистрирующий средний уровень Балтийского моря. Система высот применяется и в настоящее время в России и РК.

Кроме того, с её помощью решались и решаются следующие основные научные задачи: изучение фигуры физической поверхности Земли и её внешнего гравитационного поля, изучение современных вертикальных движений земной по-

верхности, определение разности высот поверхностей морей и о�

Информация о работе

Рахымбердина, Маржан Есенбековна
кандидата технических наук
Новосибирск, 2013
ВАК 25.00.32

Диссертация

Исследование и совершенствование высокоточного инженерно-геодезического нивелирования цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы