Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Новосад Володимир Миколайович

УДК 528.024.187.4

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ ГЕОМЕТРИЧНОГО НІВЕЛЮВАННЯ

05.24.01 - Геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі геодезії Національного університету “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Островський Аполлінарій Львович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри геодезії, м.Львів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гладких Ігор Іванович, завідувач кафедри гідрографії і морської геодезії, Одеська державна морська академія, Міністерство освіти і науки Україним, м.Одеса.

кандидат технічних наук, доцент Третяк Корнелій Романович, доцент кафедри вищої геодезії і астрономії, Національний університет “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України, м.Львів.

Провідна установа:

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, кафедра інженерної геодезії, Міністерство освіти і науки України, м.Івано-Франківськ.

Захист відбудеться “25” січня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Ст.Бандери, 12, ауд.518.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка”, м.Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “29 “ листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доц. С.Г.Савчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ

Геометричне нівелювання було і, поки що, залишається головним методом побудови державних нівелірних мереж. Особливого значення набуває геометричне нівелювання в геодинамічних дослідженнях глобального, регіонального та локального характеру. До того ж геодинаміка вимагає одночасного, або майже одночасного визначення висот точок на об'єкті в кожному циклі спостережень. Таким чином, геодинаміка висуває нову, дуже важливу проблему: скорочення часу виконання окремого циклу визначення висот усіх точок, деформація яких досліджується.

З іншої точки зору завжди, при будь-яких вимірюваннях, одною з найважливіших проблем є отримання достатньої точності результатів вимірів із мінімальними матеріальними та трудовими затратами. Нагадаємо, що СВРЗК та СВРЗП на території України складають 1-5 мм у рік. Зафіксувати такі рухи повторними вимірами з періодом в один рік, необхідно мати точність нівелювання хоча б на порядок вищою - 0,1 - 0,5 мм. Тому питання підвищення точності нівелювання або збереження існуючої точності нівелювання з меншими затратами і часу, є ,безперечно, такими, що заслуговують уваги не тільки в прецизійному, високоточному нівелюванні, але також в нівелюванні Ш та ІY класів.

Найбільшою помилкою, що регламентує точність нижчих класів нівелірних робіт, як відомо є: помилка відліку рейки, коли сантиметрові поділки рейок окомірно діляться на міліметри. Непросту задачу мінімізації помилки відліку, може розв'язати застосування геометричного нівелювання методом суміщень, за допомогою широко розповсюджених нівелірів типу Н-3, Н-3К та дерев'яних триметрових двосторонніх шашкових рейок з сантиметровими поділками.

Для цього нами використано оптичний мікрометр угорського нівеліра Ni - АЗ фірми МОМ, в якому удвічі збільшена товщина плоскопаралельної пластини.

Шкала мікрометра поділена на 50 частин. Повороту шкали оптичного мікрометра на одну поділку відповідає паралельне зміщення візирного променя на 0,2 мм. Оскільки найменшу поділку мікрометра можна ще на око поділити на 10 частин, точність відліку такого мікрометра буде 0,02 - 0,04 мм.

Автор не претендує на пріоритет конструювання такого мікрометра. В дисертації виконані детальні дослідження точності геометричного нівелювання шашковими рейками методом суміщень. Питання методики і точності нівелювання методом суміщень шашковими рейками розглянуто в першому розділі роботи.

В другому розділі роботи проведені пошуки можливостей модернізувати нівелювання І класу таким чином, щоб підвищити точність зі зменшенням часу роботи на станції.

На нашу думку, можливі наступні модифікації існуючих методів нівелювання:

Перехід від лівої та правої ліній нівелювання І класу до нівелювання однією лінією, але двома горизонтами нівеліра;

Перехід до однієї лінії нівелювання, але двома нівелірами, коли ними виконуються не зовсім одночасні виміри (один спостерігач);

Перехід до однієї лінії нівелювання також двома нівелірами та одночасними вимірами (два спостерігачі);

Нівелювання двома (лівою та правою) лінією, але одночасно двома нівелірами;

5. Нівелювання, що включає будь - яку з чотирьох модифікацій але зі зміненою граничною довжиною плечей (коротшою, порівняно з допустимою довжиною І класу - 50 м).

- Дослідженнями, виконаними раніше, уже практично підтверджена рівноточність першої модифікації та прийнятої методики нівелювання І класу, хоча перевірка цього питання має зміст.

Але більший інтерес викликають друга, третя, четверта та п'ята модифікації, як такі, що можуть:

Майже у двічі скоротити час спостереження на станції, а також підвищити точність - друга та третя модифікації.

Підвищити точність нівелювання що найменше в разів при таких же витратах часу на станції, що і при класичному нівелюванні - четверта модифікація.

Беззаперечно підвищити точність нівелювання - скороченням довжини плеч - п'ята модифікація.

В третьому розділі досліджуються можливості розширення періоду виконання та підвищення точності нівелювання, шляхом переходу від нівелювання при інверсії та нейтральній стратифікації, до нівелювання при нейтральній та нестійкій стратифікації приземної атмосфери.

При нейтральній стратифікації приземної атмосфери, як це точно встановлено, рефракція хоча і діє на відліки, але не впливає на перевищення. На жаль періоди нейтральної стратифікації короткі і при ясній, антициклональній погоді складають 20-30 хвилин ранком і стільки ж приблизно ввечері. Дослідженнями останніх років знайдені ефективні методи знешкодження аномальної рефракції при нестійкій стратифікації. З'явилась реальна можливість значно підвищити точність нівелювання, завдяки вилученню аномальної рефракції . Крім того, розширити період можливого виконання нівелювання.

Єдиним стримуючим фактором до такого переходу є наявність, при нестійкій стратифікації, коливань зображень штрихів нівелірних рейок. Проте цей фактор значно (у 3-5 разів) компенсується зменшенням помилок рефракції, які носять систематичний характер і є більш загрозливими, ніж випадкові помилки коливань зображень. Зі всього вище викладеного, зрозуміла актуальність роботи.

ЗВ'ЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ

Робота виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт кафедри геодезії Національного університету “Львівська політехніка”, затвердженими Міністерством освіти і науки України.

МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ

Першого розділу:

дослідити точність і ефективність геометричного нівелювання шашковими рейками методом суміщень;

розробити методику геометричного нівелювання ІІІ класу шашковими рейками методом суміщень;

скласти нормативні вимоги роботи на станції при прокладанні нівелірних ходів з використанням методу суміщень.

Другого розділу:

Встановити точність та продуктивність модернізованих методів нівелювання:

одночасного нівелювання двома нівелірами (при двох спостерігачах);

одночасного нівелювання двома нівелірами зі збереженням лівої та правої лінії нівелювання;

нівелювання любим модифікованим методом з укороченою довжиною плеч.

Третього розділу:

- проаналізувати дію джерел помилок нівелювання на відліки та перевищення;

- встановити основні джерела помилок що регламентують точність сучасних методів нівелювання;

- розробити методи визначення впливу рефракції та зміни кута і на відліки та перевищення

- розрахувати очікуване підвищення точності нівелювання при переході від нівелювання при інверсії температури до нівелювання при нестійкій стратифікації.

Перераховані розробки мають наукову новизну і будуть винесені на захист.

Поставлені задачі розв'язуються:

постановкою спеціальних експериментальних досліджень та теоретичних розробок;

одночасним застосуванням двох нівелірів;

одночасним проведенням нівелювання двома горизонтами та лівої і правої лінії нівелювання укороченням плеч;

розробленими методами визначення дії рефракції та зміни кута і пари нівелірів на результати нівелювання;

переходом від нівелювання при інверсії та нейтральній стратифікації до нівелювання при нейтральній та нестійкій стратифікації приземної атмосфери;

як мінімум двома незалежними методами оцінки точності класичних, нових та модернізованих методів нівелювання.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Полягає в запропонованих нових та модернізованих методах нівелювання, які дозволяють підвищити точність та скоротити час роботи на станції нівелювання, розширити періоди дня в які можна вести нівелювання. Новими також є розроблені методи знешкодження впливу рефракції та зміни кута і пари нівелірів на результати нівелювання .

ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ

Починаючи з 1984 року виконувались виробничо - експериментальні дослідження нівелювання шашковими рейками методом суміщень при спостереженнях за деформаціями гребель гідроспоруд та берегів водосховищ Новий Яр, Гідровідвал, Оселя, Терешка, Гноїнець, СПЦ на Яворівському гірничо-хімічному заводі. Всього на дев'яти виробничих об'єктах було виконано 114 км нівелірних ходів. В наш час Уральський оптико-механічний завод серійно випускає насадний оптичний мікрометр (НОМ) для нівеліра 3Н-2КЛ. Діапазон роботи НОМ від 0 до 10 мм. Таким чином нівелювання шашковими рейками методом суміщень знайшло застосування в геодезичному виробництві. Такий метод впроваджено в навчальний процес на кафедрі геодезії Національного університету “Львівська політехніка”. В цілому робота має перспективу впровадження на геодинамічних полігонах, а також при створені державної висотної мережі.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ, ЩО ВИНОСЯТЬСЯ НА ЗАХИСТ

Розроблена методика геометричного нівелювання шашковими рейками методом суміщень.

Запропоновані модифікації нівелювання I класу.

Розроблені методи визначення впливу рефракції та зміни кута і на відліки та перевищення.

Пропозиції переходу до нівелювання при нейтральній та нестійкій стратифікації приземної атмосфери.

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ

Основні наукові та практичні результати доповідались на Міжнародному симпозіумі “Геодинаміка гірських систем Європи”, Яремче,1994 р.; науково-практичних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні”, Львів, 1997,1999,2000р.р.; симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища”, Львів,1999 р., на наукових конференціях прфесорсько-викладацького складу Національного університету “Львівська політехніка”, 1987 - 2000 р.р.. Основні положення дисертації опубліковані в 13 статтях, з них 8 - в центральних фахових журналах, 5 - в матеріалах симпозіумів, конференцій.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК АВТОРА

Основні результати, викладені в дисертації, отримані автором самостійно. В співавторстві опубліковані праці [31,37,39,41] з науковим керівником професором А.Л. Островським, якому належить постановка задач, а також роботи [45] і [52] де описуються експериментальні дослідження, виконавцем яких був автор роботи.

СТРУКТУРА ТА ОБСЯГ ДИСЕРТАЦІЇ

Дисертаційна робота складається з переліку умовних скорочень, вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатку. Загальний обсяг роботи 146 сторінок машинопису. З них таблиць 19, рисунків 5, додаток - 8 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми; вказано мету роботи.

В першому розділі досліджена точність геометричного нівелювання шашковими рейками способом суміщень, яке виявилось точніше нівелювання ІІІ класу.

В 1.1 виконано аналіз помилок відліку рейки при різних методах нівелювання. Показано, що коли мова йде про нівелювання ІІІ та ІY класів, то точність такого нівелювання регламентують дві помилки:

поділу на око найменшої поділки рейки на 10 частин;

приведення середини бульбашки рівня в нуль-пункт.

Не випадково, вивченням саме цих помилок займались видатні вчені-геодезисти: Рейнгерц, О. Еггерт, А.С. Чеботарьов, Л.А. Башлавін, М.Е. Піскунов, П.В. Павлів та багато інших. Проте, дослідження точності суміщення середньої горизонтальної нитки сітки з краєм сантиметрової поділки рейки не велось, оскільки таке нівелювання інструкціями не передбачалось. Тому в роботі була розроблена спеціальна програма, метою якої ставилось найти:

точність такого суміщення;

залежність помилки суміщення від S - віддалі між нівеліром та рейкою;

залежність цієї помилки від якості нанесення поділок рейки.

В 1.2 описані експериментальні польові дослідження. Програмою проектувалось брати відліки рейки на віддалях: 25, 35, 50, 75, 100, 150 м на трьох різних поділках 1000, 1500, 2000 мм. Було одержано для кожної шашки і кожної поділки по 100 подвійних відліків для одного і двох контактувань рівня. Останнє дало можливість надійно встановити також помилку суміщення (контактування) кінців бульбашки рівня. Всього було виконано 3600 подвійних вимірів. Логічно допустити, що помилка суміщення описується рівнянням регресії:

. (1.1)

Невідомі mo та k найдені за способом найменших квадратів і виявились рівними: mo = =0,113 0,0035; k = 0,00027 0,000041; менше в 32,3 рази; на порядок менше k.

Таким чином, великий об'єм експериментів забезпечив достатньо точне визначення невідомих mo та k. В результаті, отримане з точністю . Отримана формула середньої квадратичної помилки контактування кінців зображення бульбашки рівня - mp:

mp = 1,39 10 -3 S (при ціні поділки рівня // ). (1.2)

За цією формулою при S = 75 м, mp = 0,104 мм; mp гран. = 0,312 мм. На помилку відліку суттєво впливає якість нанесення поділок (чіткий чи рваний край поділки). Точність відліку може змінюватись на 40 мікрон.

В 1.3 дана порівняльна оцінка точності геометричного нівелювання, що ведеться шашковими рейками класичним методом ІІІ класу та методом суміщень. Проаналізовано вплив на нівелювання 15 різних джерел помилок. Аналіз показав, що можна надійно говорити про підвищення точності нівелювання ІІІ класу в два рази при переході від існуючого методу нівелювання до нівелювання методом суміщень. Квадратичні помилки одного кілометру ходу: mкм зв. = 5,249 мм; mкм сум .= 2,580 мм. Цікаво, що достатньо було врахувати чотири помилки, щоб: отримати 90% сумарної помилки “погляду” від усіх проаналізованих 15-ти помилок при нівелюванні методом суміщень. Це: mр гран .= =0,312 мм для рівневих нівелірів; для нівелірів з компенсаторами mпрв.= 0,180 мм. Гранична помилка наведення нитки на край поділки рейки 0,399 мм. mпод - гранична помилка поділки рейки 0,5мм; помилка диференційної рефракції, прийнятої mреф. гран. = 0,3мм; = 0,77 мм.

В 1.4 розроблена методика геометричного нівелювання шашковими рейками методом суміщень. Розроблено порядок роботи на станції. Подано зразок польового журналу та його обробки. Рекомендується такаж довжина плеч, як при звичайному нівелюванні ІІІ класу, але розходження перевищень на станції, визначених за чорними та червоними сторонами рейок, допускається не три, а два міліметри.

В 1.5 описані виробничо - експериментальні дослідження точності нівелювання. За експериментальними даними помилка 1 км = 1,91 мм. Так що, таке нівелювання наближається за точністю до нівелювання ІІ класу і може розраховуватись за формулою , де L - довжина ходу в кілометрах.

В другому розділі виконані порівняльні дослідження точності різних програм нівелювання І класу. Нівелювання вищих класів вимагає іншого підходу до визначення помилки “погляду”, ніж при нівелюванні ІІІ, ІY класів. Відмітимо дві особливості: ходи І ,ІІ класів значно довші. Тому обов`язковим є врахування систематичних помилок. Від ходів І,ІІ класу вимагається більша точність. Тому слід враховувати дію малих випадкових помилок, якими при розрахунках точності нижчих класів можна було нехтувати. Теоретичні розрахунки поглядів велись рядом дослідників: М.Е. Піскунов, В.М. Ганьшін, П.В. Павлів. Однак в цих розрахунках мали місце деякі неточності щодо врахування впливу кута і// (враховувались тільки випадкові помилки) та дії рефракції. В дисертації враховується 16 випадкових та 5 систематичних помилок, які визначають точність нівелювання:

, (2.1)

де - сумарний вплив на “погляд” випадкових помилок; - те саме, але систематичних помилок.

Згрупуємо випадкові помилки у дві групи: залежні від S - mзал(s), та незалежні від S - mн/зал(s)

, (2.2)

де mсум - помилка суміщення (контактування) кінців бульбашки рівня; mнав - помилка наведення кутового бісектора труби на штрих рейки; mзм.с - помилка зміщення сітки ниток

, (2.3)

де mвід - помилка відліку мікрометра; mпод - помилка поділки рейки; mнах.р. -помилка нахилу рейки; mрів- помилка установки рівня на рейці; mп'ят- помилка п'ятки рейки; mі- випадкова кута і; mінш - інші. m2зал(s) = (0,134)2 + (0,117)2 + (0,06)2; mзал(s) = 0,188мм; m2н/зал(s) = (0,036)2+(0,07)2 + (0,057 + 0,018)2 + (0,05)2 + (0,10)2 + (0,09)2; mн/зал(s) = 0,180мм.

В наших експериментах відліки робились за одними і тими самими поділками рейок тому mпод = 0, так що mн/зал(s) = 0,132 мм. Систематичні помилки

(2.4)

тут позначені помилки: mзм.в. - зміна висот перехідних точок, штатива; mреф. - рефракції; mкомп. - компарування; - систематичні помилки кута і; mтем. - температурні розширення рейок. Три джерела незначних систематичних помилок об'єднані в одну групу, а саме mзм.в., ттем, mком.

m2гр.с = m2зм.в + m2тем + m2ком , (2,5)

m2гр.с =(0,0015)2 + (0,0025)2 + (0,005)2; mгр.с= 0,0058 мм.

Помилки за нашими експериментами складають 0,46 мм, а рефракція при турбулентності може досягати більше 1мм, rT прийнято 1,07 мм. Тому гранична помилка “погляду” для нівелювання І класу запишеться так:

; mпог =1,18 мм . (2.6)

Зрозуміло, що при визначені помилок “погляду” за перевищеннями, рівні помилки, що однаково діють на задні і передні відліки рейок, виключаються. Помилки будемо поки що, вважати однаковими. Однак рефракція не виключиться і на перевищення буде діяти диференційна частина , прийнята рівною = 0,08 мм.

Найдемо числове значення помилки “погляду” за перевищеннями:

; mпог(h) = 0,272 мм.

На основі розрахунків зрозуміла причина того, що оцінка точності за дисперсією відліків дає значно більшу помилку “погляду”, ніж така ж помилка “погляду”, тільки розрахована за дисперсією перевищень. Виявлені джерела помилок, що регламентують точність нівелювання на станції, які проявляються при оцінках за дисперсією відліків і приховані при оцінках за дисперсією перевищень. Це рефракція - та зміна кута і// - .

В цьому ж підрозділі теоретично доказано, що скорочення плеч до 25м зменшує помилку “погляду” і помилку ходу нівелювання в 1 км приблизно в раз.

В 2.2 описані експериментальні дослідження точності класичних та модернізованих методів нівелювання І класу (програма та результати). Експериментальний полігон по суті є станцією нівелювання І класу, але з плечами 50 та 100 м і тому перехідні точки закріплені 8 костилями. Крім того, одночасно використовувалось два нівеліри Н-05; лівий нівелір, названий нижнім (Нн), має висоту і1 = =1,62 см; правий, названий верхнім (Нв), має висоту і2 = 1,72 см. Вісь лінії нівелювання розташована в меридіальному напрямку. Перевищення h50 = 39 см, h100 = 56 см. Велось багатократне нівелювання одночасно двома спостерігачами за програмою І класу. Імітувалось праве і ліве та верхнє і нижнє нівелювання, прямий та зворотній ходи. Прийоми виконувались один за одним, починаючи ранком через годину після сходу Сонця і до 1000 - 1030. Виконувалось 5-6 прийомів. Вечірні спостереження розпочинались після 1530-1600, коли затухали сильні, розпливчаті коливання. Виконувалось стільки ж прийомів, закінчувались спостереження за годину до заходу Сонця. За помилку “погляду” приймалась помилка середнього з двох відліків основної та додаткової шкали. Експериментальні дослідження велись в липні - серпні протягом 6 днів. Всього отримано 1920 вимірів і отримано 960 середніх значень “поглядів”, що можна вважати достатнім для надійної оцінки точності “погляду”, за відліками. Помилка виміряного перевищення буде

. (2.7)

А так, як ведеться праве та ліве нівелювання (або верхнє та нижнє) і прямий та зворотній ходи, то помилка кінцевого перевищення - hк буде:

(2.8)

Комбінуючи попарно результати правого та лівого нівелювання можна за (2.8) розрахувати помилку (чотири костилі) класичного нівелювання - mh кл. Комбінуючи попарно результати нижнього та верхнього нівелювання (два костилі) можна розрахувати помилку на станції модернізованого нівелювання - mh мод.

В 2.3 виконана оцінка точності класичних та модернізованих вимірів за дисперсіями перевищень. Користуючись теорією випадкових помилок можна довести, що обчислені перевищення за середніми відліками двох шкал рейок та прямого і зворотного ходу hсер мають помилку mhсер рівні помилкам “погляду” - mпог, тобто

. (2.9)

Проте, ми знаємо з теоретичних розрахунків, що більше ,тобто, що формула (2.7) не працює. Ми, поки що, не знаємо експериментального значення помилки “погляду” -mпог. е. Все ж за (2.7) можемо знайти помилку “погляду” - mпог.в., яка включає тільки випадкові помилки . Зрозуміло, що повне значення mпог.. можна знайти за дисперсіями поглядів. Таке визначення mпог.. буде зроблене пізніше, в розділі 3.

В результаті обробки експериментальних даних виявилось, що класичне і модернізоване нівелювання абсолютно рівноточні. Середні помилки mhкл та mhмод складають 0,245мм. Аналогічні результати отримані з обробки нівелювання плечами 100м. Середнє значення помилок при класичному нівелюванні mhкл2 = 0,620мм при модернізованому mhмод2 = 0,619мм.

В 2.4 дана оцінка точності класичних та модернізованих вимірів за дисперсіями різниць перевищень . Як створюються ці різниці у випадку лівого і правого нівелювання - відомо. Для випадку нижнього і верхнього нівелювання вони запишуться так:

;

;

;

;

;

.

Маємо підстави вважати, що різниці перевищень мало обтяжені систематичними помилками. В результаті виявлено, що загальні середні значення кінцевих “поглядів” в класичному методі 0,212мм; в модернізованому методі 0,228мм.

В 2.5 дано аналіз порівняльних досліджень точності класичного та модернізованого нівелювання. Показано ряд переваг модифікацій нівелювання порівняно з класичним (див. висновки).

В третьому розділі досліджувалась точність геометричного нівелювання в термічно турбулентній атмосфері. В підрозділі 3.1 поставлена задача встановити на основі експериментальних досліджень фактичне співвідношення між помилками “погляду” та перевищення. Якщо дійсно помилка “погляду” - mпог більша mh помилки перевищення, то це свідчить про дію на “погляди” систематичних помилок, які і обмежують точність нівелювання. Подальша задача: знайти методи знешкодження дії цих помилок, а значить - підвищити точність.

Теоретичні розрахунки в розділі 2, показали, що найбільшими систематичними помилками “погляду” є нівелірна рефракція та зміна кута і//. Тому в підрозділі 3.2 розроблено метод безпосереднього визначення нівелірної рефракції. Спочатку визначається різниця повних (подвійних) рефракцій в і - тому та першому циклах за формулою:

(3.1)

де - приблизне значення різниці подвійної рефракції, а - поправка за зміну кута і//. При цьому

(3.2)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

В цих формулах: - відліки однієї і тієї ж рейки першим нівеліром; - такі ж відліки рейки другим нівеліром в першому та і-тому циклах вимірів ; h1 - початкова різниця висот двох нівелірів , hi - різниця цих висот в і-тому циклі вимірів.

Так як

, (3.6)

то досить знати, або - рефракцію в якийсь певний момент часу (наприклад нормальну рефракцію), щоб визначити подвійну рефракцію в любому циклі вимірів:

. (3.7)

Рефракції

. (3.8)

Помилка визначення r за чотирма рейками складає mr = 0,052 мм.

В 3.3 розроблено метод визначення поправок у відліки за зміну кута і при роботі на станції двома нівелірами

Безпосередньо з рисунка запишемо два рівняння, за якими можна обчислити правильний відлік - a:

(3.9)

(3.10)

Прирівнявши праві частини отримаємо:

(3.11)

Размещено на http://www.allbest.ru/

На основі (3.9) - (3.11) можна стверджувати, щоб знайти h1 не потрібно знати та рефракцію r1. Аналогічно

(3.12)

Тому. Знайдемо три шляхи визначення . Тому можна вирахувати з контролем.

В 3.4 досліджено закономірності порушення паралельності осі рівня та осі зорових труб нівелірів. Значення - середні різниці висот двох нівелірів, отримані за чотирма рейками, мали явно виражений дений хід. Отримані значення не можуть бути спотворені рефракцією, яка в один фізичний момент діє на всі відліки однаково. Денний хід можна пояснити тільки зміною кута і// двох нівелірів. Виявилось, що зміна добре описується рівнянням регресії:

, (3.13)

при L =50м,

, (3.14)

тобто зроблено припущення, що змінюється пропорційно відхиленням температури від деякого середнього значення to ,а c - коефіцієнт, що характеризує зміну кута при зміні температури на 1o С. Позначивши , маємо кінцеве рівняння регресії:

. (3.15)

В результаті обробки експериментальних даних за способом найменших квадратів отримано ho=97,48+0,08 мм; с = 0,450 + 0,007.

Подвійна амплітуда зміни кута пари нівелірів досягала 5//, що викличе максимальні помилки у “поглядах” 0,6 мм. Однак, на перевищення цей вплив буде значно меншим. Навіть при асиметричній роботі на станції (якби спочатку брались відліки задньої рейки, а через 5-10 хвилин - передньої) то і в цьому випадку похибка перевищення склала б 0,0125-0,025мм, тобто в 25-50 раз меншою, ніж помилка “погляду”.

В 3.5 та 3.6 приведені апостеріорні дослідження помилки “погляду” та перевищень та подано їх аналіз.

В результаті встановлено фактичне співвідношення між помилками “погляду” та перевищення за експериментальними даними. При обробці спочатку були обчислені за дисперсіями цих параметрів помилки виміряних поглядів та перевищень mпог та mh . Пізніше в погляди та перевищення були введені поправки за рефракцію і за дисперсіями виправлених поглядів та перевищень знову найдені помилки m/пог та m/h. Після цього були введені поправки за зміну кута і і найдені кінцеві помилки m//пог та m//h .

Для аналізу скористаємося середніми значеннями помилки “погляду” за чотири дні спостережень.

Отримали mпог =0,50мм; m/пог =0,28мм; m//пог = mпог.в = 0,22мм

Як бачимо введення поправок за рефракцію зменшили помилки “погляду” на 44%, а введення поправок за зміну кута і ще зменшило помилку “погляду” на 21,4%.

Відношення рази

Проаналізуємо помилки перевищень mh =0,34 мм m/h= 0,27мм m//h=0,24мм

Будемо вважати, що . Перш за все, звернемо увагу на те, що . Відношення раз.

Слід відзначити, що введення поправок за рефракцію зменшило помилку перевищення на 20,6%, а після введення поправки за кут і ще на 11,1%. Це підтвердило, що перевищення менше спотворені систематичними помилками, ніж “погляди” і що є близьким до , тому скористаємося формулою (2.7) і знайдемо випадкову частину помилки “погляду”:

мм.

Як бачимо, випадкова частина помилки отримана за перевищеннями мм, близька до мм, отриманої за поглядами. Так що процедура ведення поправок повністю розкрила, якими систематичними помилками максимально спотворені “погляди” та перевищення. Звідси ясні можливі шляхи підвищення точності геометричного нівелювання.

У висновках наведено підсумки дисертаційної роботи

На основі теоретичних і експериментальних досліджень, а також виробничою практикою доведена перевага запропонованого методу нівелювання шашковими дерев'яними рейками методом суміщень, порівняно з традиційним методом геометричного нівелювання III класу. Точність запропонованого нівелювання, в два рази вища геометричного нівелювання III класу і наближається за точністю до нівелювання II класу. В результаті допустима нев'язка модернізованого таким чином геометричного нівелювання може розраховуватись за формулою , де L - довжина ходу в кілометрах.

Доведено, що гранична похибка суміщення середньої горизонтальної нитки сітки труби нівеліра з краєм сантиметрової поділки рейки за допомогою окулярного мікрометра з плоскопаралельною пластинкою не перевищує 0,4 мм. Поділ на око сантиметрової поділки рейки має граничну помилку 1,5 мм. В цьому головна перевага запропонованого нівелювання.

Розроблено програму нівелювання на станції модернізованим методом та польовий журнал. Доведено, що розходження перевищень, обчислених за відліками чорних та червоних сторін рейок не повинні перевищувати 2 мм. Довжини плеч нівелювання, їх нерівність допускаються такими ж, як в традиційному нівелюванні III класу.

Доведено за дисперсіями перевищень та різниць перевищень, що модернізоване нівелювання I класу (одна лінія нівелювання, два горизонти нівеліра, або одночасна робота двома нівелірами) має таку ж точність, як класичне нівелювання I класу. При цьому в два рази зменшується механічна робота забивання та витягування костилів.

Застосування двох нівелірів при одній лінії нівелювання, якщо нівелірами ведуться майже одночасні відліки рейок, скорочує в два рази час роботи на станції. Скорочення часу спостережень особливо важливе при циклах повторних спостережень на геодинамічних полігонах, коли виникає потреба визначити висоти досліджуваних точок мережі за можливо короткий проміжок часу.

При збереженнях лівої та правої ліній нівелювання і одночасному застосуванні двох нівелірів можна підвищити точність нівелювання в 1,4 рази, порівняно з класичним нівелюванням I класу, не змінюючи часу роботи на станції.

Одночасне застосування двох нівелірів та скорочення плеч до 25 м. в два рази підвищує точність нівелювання I класу.

Доведено, що в геометричному нівелюванні похибка “погляду” більше помилки перевищення. Показано теоретично та експериментально, що серед ряду систематичних помилок “погляду” максимальними, регламентуючи їх точність, є помилки вертикальної рефракції та непаралельності візирної осі та осі циліндричного рівня (так званий кут i).

Запропоновано використовувати турбулентний метод знешкодження впливу рефракції, який без будь-яких додаткових вимірів перетворює систематичний вплив рефракції на випадковий.

Запропоновано програму роботи на станції нівелювання, яка відрізняється від класичної програми I класу тільки тим, що бісектуються не середні миттєві положення видимого в трубу зображення штриха рейки, що коливається з подвійною амплітудою не більше 1.5 мм при довжині плеч 50 м, а його максимальні верхні миттєві положення (якщо труба дає пряме зображення - то максимальні нижні миттєві положення). При більших амплітудах коливань зображення нівелювання вести не слід.

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Статі у наукових виданнях

Пандул И.С., Кметко И. Н., Литинский В.О., Новосад В.Н. Практика нивелирования по шашечным рейкам способом совмещений. // Сборник научных трудов Ленинградского горного института. Ленинград, 1987. - С.69-72.

Островский А.Л., Новосад В.Н. Разработка методики нивелирования ІІІ класса шашечными деревянными рейками методом совмещений. // Геодезия, картография и аэрофотосъемка. Львов, 1988. - № 47. - С.53-58.

Новосад В.М. Попередній розрахунок точності нівелювання методом суміщень шашковими рейками. // Геодезія, картографія і аерофотознімання. Львів, 1995. - № 56. - С.39-45.

Хижак Л.С., Новосад В.М. Про помилку відліку по шашковій рейці методом суміщень при геометричному нівелюванні. // Геодезія, картографія і аерофотознімання. Львів, 1996. - № 57. - С.92-96.

Новосад В.М. Дослідження закономірностей порушення паралельності вісі циліндричного рівняння та візирної вісі зорових труб нівелірів. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів. - 2000. - С. 181-186.

Островський А. Л., Мороз О. І., Новосад В. М. Метод безпосереднього визначення нівелірної рефракції. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів. - 2000. - С.78-83.

Клим С. А., Новосад В. М., Черняга П. Г. Оцінка та підвищення точності геометричного нівелювання. Вісник Рівненського державного технічного університету. Рівне. - Вип. № 2 (4).- 2000.- С.257-267.

Островський А.Л., Новосад В.М. Польові дослідження тоності відліку шашкової рейки методом суміщень. // Геодезія, картографія і аерофотознімання. Львів, 2000. - № 60. - С.58-64.

Праці в збірниках наукових доповідей симпозіумів та конференцій

9. Новосад В.М. Підвищення точності нівелювання реконструкцією нівеліра з метою вивчення геодинамічних процесів. // Геодинаміка гірських систем Європи. Матеріали міжнародного симпозіуму. - Яремче, 1994.- С.41.

10. Новосад В.М. Про помилку відліку по шашковій рейці. // Геодезична освіта та наука в Україні. - Львів, 1995.- С.124.

11. Новосад В. М. .Історичний розвиток точності відліку на станції при геометричному нівелюванні. // Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва в Україні. - Львів, 1997.-С.80-81.

12. Новосад В.М. Дослідження точності модернізованого геометричного нівелювання I класу. // Сучасні досягнення геодезії, геодинаміки та геодезичного виробництва. - Львів, 1999. -С.67-68.

13. Новосад В. М., Островський А. Л. До питання оцінки точності високоточного нівелювання за виміряними перевищеннями та відліками рейок.// Геомоніторинг-99. Міжнародний - науково технічний симпозіум. - Львів, 1999.-С.128-131.

АНОТАЦІЯ

Новосад В.М. Вдосконалення методів та засобів геометричного нівелювання. - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.24.01-геодезія. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів 2001.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення точності геометричного нівелювання та скорочення часу виконання робіт. Показано, що можна в два рази підвищити точність нівелювання ІІІ класу застосуванням спеціального мікрометра, який дозволяє вести нівелювання методом суміщень середньої нитки сітки з краєм сантиметрових ділень рейки. Виконані порівняльні дослідження можливих програм модифікації нівелювання І класу. На основі експериментальних досліджень показані переваги модифікованих програм. Доведено, що максимальними систематичними помилками нівелювання є: зміни з часом кута і та вертикальна рефракція. Найдені шляхи визначення і мінімізації цих помилок, що дозволяє підвищити точність геометричного нівелювання.

Ключові слова: геометричне нівелювання, похибка “погляду”, “ліве” та “праве” нівелювання, рефракція, точність відліку, перевищення, модернізовані виміри.

Annotation

Novosad V.M. Improvement of metthods and means of geometrical levelling. - Manuscript.

Dissertation on winning of scientific candidate degree of technical sciences with specialities 05.02.01 Geodesy National university “Lvivs'ka Polytechnika”, Lviv 2001.

Dissertation work is directed on increase of the geometrical levelling accuracy and decrease the time of the work execution. It is shown, that one can twiaely increase of the 3-rd class levelling by application of special micrometer, which allows to levelling by method of the visiring of middle thread with the edge of santimetre poits of rail.

The comparative researches of possible programs of the 1-st class levelling modefication were done. On the base of experimental researches superiorities of modified programs are shown. It is proved, that maximum systematic errors are time variation of angel i and vertical refraction. The ways of the minimization of these arrors were found, that allows to increase of the geometrical levelling accuracy.

Key words: geometrical levelling, “look” error, elevation, counting accuracy, modernized measurings, refraction, left and right levelling.

АННОТАЦИЯ

нівелювання мікрометр точність помилка

Новосад В.М. Усовершенствование методов и средств геометрического нивелирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.24.01 - геодезия. - Национальный университет “Львивска политехника”, Львов, 2001.

Дисертационая работа направлена на повышение точности геометрического нивелирования и сокращения времени выполнения работ. Предложено, для снятия отсчета по шашечной рейке при нивелировании III класса, использовать оптический микрометр, позволяющий смещать визирный луч на 10 мм. Показано, что можно повысить точность геометрического нивелирования III класса в 2 раза, если использовать метод совмещений.

Выполнены сравнительные исследования точности разных программ нивелироания I класса. На основании экспериментальных исследований показано ряд преимуществ модификаций нивелирования I класса как таковых, что могут:

в два раза сократить время работы без потерь в точности;

повысить точность нивелирования сокращением длин плеч.

Исследованы возможности расширения времени выполнения нивелирования путем перехода от нивелирования при инверсии и нейтральной стратификации до нивелирования при нейтральной и неустойчивой стратификации приземной атмосферы. Разработаны методы непосредственого определения нивелирной рефракции и поправок в отсчеты за изменение угла i при работе на станции двумя нивелирами. Минимизация максимальных систематических ошибок геометрического нивелирования позволит повысить его точность.

Ключевые слова: геометрическое нивелирование, ошибка “взгляда”, превышение, точность отсчета, модернизированные измерения, рефракция, “левое” и “правое” нивелирование.

Размещено на Allbest.ru

...