Геодезические сети

Лекция 1.8 Геодезические сети Основные принципы организации геодезических работ Все геодезические измерения, как бы тщательно они ни выполнялись, сопровождаются неизбежными случайными погрешностями. Для правильной организации геодезических работ перед съемкой заранее задаются требуемой точностью измерения и с ее учетом выбирают методику производства работ и соответствующие приборы. Научная организация геодезических работ требует обязательного соблюдения основных принципов: 1. Принцип развития «от общего к частному»; данный принцип является главным при развитии геодезических опорных сетей, на основе которых выполняются съемки и решаются инженерные задачи на местности. 2. Обязательный контроль всех этапов измерительного и вычислительного процессов; без контроля предыдущих измерений и вычислений нельзя приступать к выполнению последующих этапов полевых либо камеральных работ. Понятие об опорных сетях Всякая топографическая съемка должна базироваться в точках, закрепленных на местности, плановое и высотное положение которых (т. е. координаты х, у, Н) известно. Такие точки называются опорными пунктами. Совокупность этих пунктов составляет опорную сеть. Опорная геодезическая сеть — сеть или система определённым образом выбранных и закреплённых на местности точек, служащих опорными пунктами при топографической съёмке и геодезических измерениях на местности. Опорная геодезическая сеть имеет большое практическое значение для составления топографических карт, определения формы и размеров Земли. Положение опорных пунктов на земной поверхности может быть определено астрономическим и геодезическим способами. Астрономический способ заключается в определении геодезических координат (геодезической широты В и геодезической долготы L) каждого пункта путем наблюдений небесных светил. По результатам астрономических наблюдений определяются также геодезические азимуты А направлений на пункты; кроме того, азимуты направлений могут быть получены при помощи гирокомпасов либо гиротеодолитов. В дальнейшем от геодезических координат пунктов (В, L) и геодезических азимутов (А) переходят к прямоугольным координатам (х, у) и дирекционным углам (α) направлений. Достоинством данного способа является независимое определение координат пунктов. Однако даже незначительные погрешности в определении геодезических координат точек с учетом погрешности уклонения отвесных линий от нормалей к поверхности эллипсоида вызывают значительные погрешности в прямоугольных координатах, достигающие 60– 100 м. Следовательно, основным недостатком астрономического способа определения координат точки является сравнительно малая точность. Геодезический способ состоит в том, что из астрономических наблюдений находят прямоугольные координаты лишь отдельных (исходных) пунктов системы. Остальные пункты опорной сети связываются с исходными путем выполнения на земной поверхности измерений сторон и углов геометрических фигур, вершинами которых являются опорные пункты. Такая схема построения опорных сетей ограничивает накопление погрешностей, обеспечивает надежный контроль измерений и позволяет независимо выполнять геодезические работы на различных участках, обеспечивая их смыкание в пределах установленных допусков. Опорные сети, координаты пунктов которых определены геодезическим способом в единой системе координат, носят название геодезических опорных сетей. Геодезический способ создания опорных сетей на территории нашей страны является основным. Лишь для создания карт масштаба мельче 1:100000, особенно в необжитых местах (Арктика, Антарктида и др.), может быть использован астрономический метод. Методы построения государственных геодезических сетей Государственная геодезическая сеть России является главной геодезической основой топографических съемок всех масштабов и должна удовлетворять требованиям народного хозяйства при решении соответствующих научных и инженерно-технических задач. Государственная геодезическая сеть России включает в себя: а) плановые сети 1, 2, 3 и 4 классов, которые различаются между собой точностью угловых и линейных измерений, длиной сторон сетей и порядком их последовательного развития. Плановые сети создаются методами триангуляции, трилатерации, полигонометрии и их сочетаниями; б) высотные нивелирные сети I, II, III и IV классов, в которых высоты пунктов определяются в Балтийской системе высот. Метод триангуляции. Сущность метода триангуляции заключается в построении на местности систем треугольников, в которых измеряются все углы и длины некоторых базисных сторон (рис.73, а). Длины других сторон треугольников рассчитываются по известным формулам тригонометрии. Рис.73. Триангуляция: а - сущность метода триангуляции; б - схема развития сетей триангуляции 1-4 классов Если непосредственное измерение базисной стороны затруднительно, то на одной из сторон (например, АВ), разбивают базисную сеть АВСD, в которой с высокой точностью измеряют короткий базис СD и все горизонтальные углы. Путем вычислений переходят от длин базиса к длине стороны АВ, которая в данном случае называется выходной стороной сети. Если известны координаты исходного пункта А, дирекционный угол и длина исходной стороны (аАВ, dAB),. последовательно решая прямую геодезическую задачу, можно рассчитать координаты всех пунктов сети. Триангуляция 1 класса создается в виде астрономо-геодезической сети и призвана обеспечить решение основных научных задач, связанных с определением формы и размеров Земли. Она является главной основой развития сетей последующих классов и служит для распространения единой системы координат на всю территорию Российской Федерации. Ее построение осуществляется с наивысшей точностью, которую могут обеспечить современные приборы при тщательно продуманной методике измерений. Применение светодальномерной техники открыло широкие возможности для развития метода полигонометрии. Согласно Инструкции о построении государственной геодезической сети полигонометрия по точности построения приравнивается к триангуляции и может заменять соответствующие классы последней. Как правило, метод полигонометрии целесообразно применять в районах, где триангуляция требует сплошной постройки высоких знаков. Полигонометрия 1 класса строится в виде вытянутых по направлениям меридианов и параллелей ходов, образующих звенья первоклассного полигона с периметром 700–800 км. На концах звена (в вершинах полигонов) определяются пункты Лапласа. Полигонометрия 2 класса развивается внутри полигонов триангуляции или полигонометрии 1 класса в виде сети замкнутых полигонов с периметром 150–180 км. Полигонометрия 3 и 4 классов строится в виде систем ходов с узловыми пунктами или одиночных ходов, опирающихся на пункты государственной геодезической сети высших классов. Государственная нивелирная сеть. Высоты пунктов государственной нивелирной сети определяют методом геометрического нивелирования. По точности и назначению государственная нивелирная сеть разделяется на сети I, II, III и IV классов. Нивелирные сети I и II классов являются главной высотной основой, посредством которой устанавливается единая (Балтийская) система высот по всей территории России, и используются для решения научных задач: изучения вертикальных движений земной коры, определения уровня воды в морях и океанах и т. п. Линии нивелирования I и II классов прокладываются по заранее разработанным направлениям. Не реже чем через каждые 25 лет линии I и частично II классов нивелируются повторно. Во всех случаях линии нивелирования I и II классов прокладываются по трассам с наиболее благоприятными грунтовыми условиями и наименее сложным профилем. Нивелирная сеть I класса состоит из ходов, образующих сомкнутые полигоны периметром около 2000 км. Нивелирование I класса выполняется с наивысшей точностью, достигаемой применением наиболее совершенных приборов и методов наблюдений: средняя квадратическая случайная погрешность определения превышения mh = 0,5 мм на 1 км хода. Нивелирная сеть II класса составлена из ходов, опирающихся на пункты нивелирования I класса и образующих полигоны с периметром в 500–600 км Средняя квадратическая погрешность определения превышения в нивелирных ходах II класса не должна превышать mh = 0,8 мм на 1 км хода. Нивелирные сети III класса прокладываются внутри полигонов нивелирования I и II классов в виде систем и отдельных ходов, делящих полигон 11 класса на 6–9 полигонов периметром 150–200 км (mh=1,6 мм на 1 км хода). Дальнейшее сгущение нивелирной сети III класса выполняется построением систем ходов нивелирования IV класса (т=6 мм на 1 км хода), опирающихся на пункты нивелирования высших классов. Ходы нивелирования IV класса являются - непосредственной высотной основой топографических съемок; густота их прокладки обусловливается масштабами съемок и характером рельефа местности. Линии нивелирования всех классов в среднем через каждые 5 км закрепляются на местности постоянными реперами и марками. Геодезические сети сгущения и съемочные сети Геодезические сети сгущения развиваются на основе государственной геодезической сети и служат для обоснования крупномасштабных съемок, а также инженерно-геодезических и маркшейдерских работ, выполняемых в городах и поселках, на строительных площадках крупных промышленных объектов, на территориях горных отводов и т. д. Плановые геодезические сети сгущения создаются в виде триангуляции (триангуляционные сети) и полигонометрии 1 и 2 разрядов. Триангуляция 1 разряда развивается в виде сетей и цепочек треугольников со стороной 1–5 км, а также путем вставок отдельных пунктов в сеть высшего класса. Углы измеряются со средней квадратической погрешностью не более 5", относительная погрешность выходных сторон – не более 1: 50 000. Триангуляция 2 разряда строится так же, как триангуляция 1 разряда; кроме того, положение пунктов 2 разряда может определяться прямыми, обратными и комбинированными геодезическими засечками. Длины сторон треугольников в сетях 2 разряда принимаются от 0,5 до 3 км, средняя квадратическая погрешность измерения углов –10", относительная погрешность выходных сторон - не более 1:20 000. Полигонометрия 1 и 2 разрядов создается в виде одиночных ходов или систем с узловыми точками, длины сторон которых принимаются в среднем равными, соответственно, 0,3 и 0,2 км. Средняя квадратическая погрешность измерения углов в ходах полигонометрии 1 разряда – 5", относительная погрешность измерения длин - 1:10000. В полигонометрии 2 разряда точность угловых и линейных измерений в 2 раза ниже по сравнению с полигонометрией 1 разряда. На все пункты геодезических сетей сгущения должны быть переданы отметки нивелированием IV класса или техническим нивелированием. В горной местности допускается передача отметок точек тригонометрическим нивелированием. Съемочные геодезические сети (геодезическое съемочное обоснование) создаются для сгущения геодезической сети до плотности, обеспечивающей выполнение топографической съемки. Плотность съемочных сетей определяется масштабом съемки, характером рельефа местности, а также необходимостью обеспечения инженерно-геодезических, маркшейдерских и других работ для целей изыскания, строительства и эксплуатации сооружений. Съемочное обоснование развивается от пунктов государственных геодезических сетей и геодезических сетей сгущения. Съемочные сети создаются построением съемочных триангуляционных сетей, продолжением теодолитных, тахеометрических и мензульных ходов, прямыми, обратными и комбинированными засечками. При развитии съемочного обоснования одновременно определяется, как правило, плановое и высотное положение точек. Высоты точек съемочных сетей определяются тригонометрическим нивелированием или геометрическим нивелированием горизонтальным лучом с помощью нивелира, а также теодолита либо кипрегеля с уровнем при трубе. Геодезические знаки, устанавливаемые на местности Каждый пункт геодезической сети закрепляют на местности заложенным в грунт центром, несущим металлическую марку с указанием точки, к которой, относятся координаты пункта. Над центром пункта сооружают геодезический знак требуемой высоты, несущий визирный цилиндр и имеющий столик для установки измерительных приборов, а также площадку для наблюдателя. Рис. 27. Тур на геодезическом пункте Рис. 28. Простая пирамида (а) и пирамида со штативом (б) В геодезических сетях применяют знаки следующих типов: тур, пирамида (простая и со штативом), простой сигнал и сложный сигнал. Туры (рис. 27) применяют на остроконечных вершинах гор, если видимость по всем направлениям открывается с Земли, а скальный грунт расположен на глубине не более 1,5 м (размеры на рисунках в см). Над туром устанавливают простую пирамиду с визирным цилиндром. Если построить пирамиду невозможно, то визирный цилиндр устанавливают непосредственно на тур. Простые пирамиды (рис. ,28, а) строят в том случае, когда наблюдения по всем направлениям можно вести с тура или штатива. Если для обеспечения видимости на соседние пункты прибор требуется поднять над землей на 2—3 м, используют пирамиду с изолированным от нее штативом для установки приборов (рис. 28, б). Площадку для наблюдателя крепят к столбам пирамиды, изолируя ее от штатива. Пирамиды строят как деревянные, так и металлические высотой 5—8 м. Простой сигнал (рис. 29) состоит из двух изолированных друг от друга пирамид: внешней 1, несущей визирный цилиндр и площадку для наблюдателя, и внутренней 2 со столиком для установки приборов. Внутренняя пирамида имеет трехгранную форму, а внешняя трехгранную или четырехгранную. Расстояние между основными столбами в основании внешней пирамиды принимают на 2 м больше Vs высоты до площадки наблюдателя. Рис. 29. Простой сигнал Рис. 30. Сложный сигнал:1 — якорь основания столба сигнала; 2 — основные столбы сигнала; 3 — венец; 4 — крестовина; 5 — болванка; 6 — стойка внутренней пирамиды; 7 — площадка для наблюдателя; 8 — столик; 9 — крыша; 10 — визирный цилиндр; 11— промежуточный столб Простые сигналы строят высотой до 10 м; они могут быть деревянными и металлическими, постоянными и разборными. Разборные знаки применяют в районах с благоприятными условиями для переездов на автотранспорте. Нередко внутренняя пирамида является постоянной на пункте, а внешняя разборной, которую перевозят с пункта на пункт. Сложный сигнал (рис. 30) по конструкции отличается от простого тем, что внутренняя пирамида, несущая столик для установки приборов, опирается не на землю, а на основные столбы сигнала (на 6 м ниже площадки для наблюдателя). Промежуточные столбы знака улучшают качество постройки сигнала. Сложные сигналы строят высотой от 11 до 40 м. Они имеют трехгранную конструкцию, их собирают на земле (в горизонтальном положении), а затем устанавливают вертикально в полностью завершенном виде. В этом случае не возникает необходимости в выполнении опасных верхолазных работ, а также повышается производительность труда при постройке знаков. Ширина треугольного основания внешней пирамиды, сложного сигнала равна 1/4 его высоты до площадки наблюдателя плюс 2 м. Основные требования к геодезическим сигналам. Геодезические сигналы (простые и сложные) должны способствовать достижению высокой точности измерений и обеспечивать безопасное ведение работ. Геодезический сигнал должен быть прочным, устойчивым и жестким. Под прочностью сигнала понимают его способность сопротивляться действующим на него постоянным (масса деталей сигнала) и временным нагрузкам (напор ветра, масса приборов и людей, находящихся на сигнале, и т. п.), под воздействием которых могут деформироваться отдельные детали и узлы сигнала. Сигнал считается прочным, если он не разрушается и в нем не возникают практически значимые остаточные деформации. Устойчивость сигнала — это его способность сохранять свое положение неизменным при действии на сигнал ветровой нагрузки. Ветер может опрокинуть сигнал, если его конструкция неудачна, а основание плохо закреплено в грунте. Устойчивость сигнала обеспечивается необходимой шириной его основания и глубиной заложения якорей основных столбов сигнала. Ширина основания сигнала больше на 2 м Vs—'А высоты до площадки наблюдателя, о чем было сказано выше. Глубина ям для установки основных столбов сигналов в районах сезонного промерзания грунта следующая (в м): Простые пирамиды ..................... 1 Простые сигналы.......................... 1,5 Сложные сигналы до 25 м основные столбы ........................ 2 промежуточные......................... 1,5 Сложные сигналы более 25 м основные столбы ........................ 2,5 промежуточные........................ 2 Под жесткостью сигнала понимают его способность сопротивляться возможным деформациям, возникающим в результате воздействия внешних факторов, и восстанавливать свое первоначальное положение после прекращения действия этих сил. Ветровая нагрузка на сигнал вызывает не только опрокидывание сигнала, но еще и его изгиб и колебание. Жесткость сигнала характеризуется величиной изгиба и частотой его колебаний. Изгиб обусловливает линейное перемещение и небольшой поворот верхней части сигнала в плоскости горизонта, а вибрация увеличивает амплитуду колебаний изображений визирных целей в поле зрения трубы теодолита. Кронштадтский футшток – футшток для измерения высоты уровня Балтийского моря, установленный на устое Синего моста через Обводный (Проводной) канал в Кронштадте. От нуля Кронштадтского футштока (в рамках Балтийской системы высот) на всей территории бывшего Советского Союза производятся измерения абсолютных высот. Кронштадтский футшток – один из старейших в мире. Наблюдения за колебаниями уровня Балтийского моря начались по указу Петра I в 1703 году, а с 1707 года в Кронштадте действует футшточная служба. Появление футшточной службы в то время было вызвано потребностью создания точных лоций для молодого русского флота и необходимостью оповещения жителей Санкт-Петербурга при угрозе наводнений. На протяжении пятнадцати лет, с 1825 по 1839 год гидрограф, вицеадмирал Михаил Францевич Рейнеке (1801-1859) проводил исследования колебания уровня Балтийского моря. В 1840 году он предложил нанести черту, соответствующую среднему уровню Финского залива по наблюдениям за этот период. В 1886 году астроном-геодезист Фёдор Фёдорович Витрам (1854-1914) обозначил нуль Кронштадтского футштока с помощью небольшой медной пластины с горизонтальной чертой. В 1913 году заведующий инструментальной камерой Кронштадтского порта Х.Ф.Тонберг установил новую медную пластину с горизонтальной чертой, обозначающей нуль. Кронштадтский футшток является метрическим, то есть отградуирован в сантиметрах. Существуют специальные реперы для контроля положения нуля футштока. Они представляют собой метки на твердой поверхности суши. Основной репер Кронштадтского футштока расположен на памятнике Петру Кузьмичу Пахтусову около Итальянского дворца. Это горизонтальная высечка буквы «П» в слове «Польза» на основании памятника. Другая метка находится в Ораниенбауме (метка №173), на здании железнодорожной станции. Нивелеровки, проводящиеся с 1880 года, показывают неизменность высотного положения нуля Кронштадтского футштока. От нуля Кронштадтского футштока в нашей стране отсчитываются высоты опорных геодезических пунктов, которые закреплены на местности различными реперами и нанесены на карты. Они служат геодезической основой топографической съёмки местности. В 1898 году на берегу рядом с Кронштадтским футштоком был установлен мареограф – прибор-самописец для измерения и непрерывной автоматической регистрации колебаний уровня моря. Вскоре его поместили в небольшой павильон с глубоким колодцем. Существующий ныне павильон был построен в 1950 году. Он представляет собой сооружение в петровском стиле. Внутри него находится колодец глубиной 7 метров, сообщающийся с Финским заливом Балтийского моря. На поверхности воды находится специальный поплавок, соединенный с самописцем, непрерывно рисующим кривую колебаний уровня Балтийского моря. Средняя величина уровня Балтийского моря приведена к нулю Кронштадтского футштока. Это так называемый прибрежный мареограф – поплавковый самописец уровня моря. В наши дни работа мареографа полностью автоматизирована. Однако, в соответствии с традицией, четыре раза в сутки метеоролог вручную снимает показания с бумажного самописца. Над футштоком есть еще одна отметка: 3,67 метров, 1824 год. 7 (19) ноября 1824 года произошло самое разрушительное наводнение за всю историю Санкт-Петербурга и Кронштадта. Под воду ушла практически вся территория Кронштадта, за исключением «Горы» — возвышенного участка в районе нынешних Интернациональной улицы (бывшая Богоявленская) и улицы Аммермана (бывшая Песочная). В целом, в городе не осталось ни одного неповрежденного военного или гражданского здания. Серьезный ущерб был причинен крепостным постройкам и фортам. Погибло 96 человек гражданского населения и военные, которые не могли оставить свой пост. Ущерб оценивался в несколько миллионов рублей – огромную по тем временам сумму.