Нівелювання та нівелювання

Одним із видів геодезичних вимірів є нівелювання, за допомогою якого проводиться визначення відносних висот будь-яких точок поверхні землі. Умовним рівнем при таких геодезичних вимірах може бути рівень річки чи океану чи будь-яка інша вихідна точка. Тобто, по суті, нівелювання - це визначення перевищення рівня кожної поверхні точки над заданою, що необхідно для побудови точного рельєфу місцевості, який надалі може використовуватися для побудови карт, планів місцевості або для вирішення прикладних завдань.

Види нівелювання

Нівелювання поверхні може здійснюватися різними методами, що відрізняються технологією та використовуваним обладнанням:

1. Геометричне нівелювання.

Для зйомки місцевості за допомогою геометричного нівелювання використовують рейку та нівелір. Принцип нівелювання полягає у встановленні спеціальної рейки з поділами та штрихами у необхідній точці поверхні, після чого за допомогою горизонтального візирного променя відраховується різниця висот.

Геометричне нівелювання проводиться методом «з середини» або «вперед». У першому випадку рейки встановлюються у двох точках поверхні, а нівелір розташовується між ними таким чином, щоб відстані до рейок були приблизно рівними. Результатом вимірювань стає інформація про перевищення рівня однієї з рейок над іншою.

Геометричне нівелювання – найпоширеніший метод, який широко застосовується у будівництві.

2. Тригонометричне нівелювання.

При такому методі нівелювання використовують спеціальні кутомірні прилади (теодоліти), за допомогою яких вимірюють кути нахилу візирного променя, що проходить через дві задані точки.поверхні. Такий метод використовується при топографічній зйомці для визначення різниці висот двох точок, що знаходяться в зоні оптичної видимості, але на значній відстані один від одного.

3. Барометричний нівелювання.

Такий метод ґрунтується на залежності атмосферного тиску повітря від висоти точки поверхні. Вимірювання тиску проводять за допомогою барометра, а отримані дані вносять поправки на реальні температурні і вологісні параметри повітря при вимірюваннях.

Такий метод зазвичай використовують у важкодоступних місцевостях, при різних геологічних чи географічних експедиціях.

4. Механічне нівелювання.

Для нівелювання поверхні за допомогою даного методу використовують спеціальний нівелір-автомат, який викреслює профіль місцевості автоматично за допомогою встановленого схилу, що задає вертикаль, і фрикційного диска, що фіксує пройдену відстань. Такий нівелір-автомат встановлюється на транспортний засіб та визначає:

різницю висот між заданими точками;
відстань між заданими точками;
профіль місцевості, фіксуючи його на фотострічці.

5. Гідростатичне нівелювання.

Цей метод нівелювання заснований на принципі роботи судин, що сполучаються. Вимірювання гідростатичним методом виробляють за допомогою гідростатичного нівеліру, що працює з похибкою 1-2 мм. Такий нівелір компонується із двох скляних трубок, які з'єднані між собою шлангом, заповненим водою. Скляні трубки вставлені в рейки, на яких нанесені поділки, якими визначають числові значення перевищення рівня. З конструкції гідростатичного нівеліру видно, що зона його дії обмежується довжиною шланга, що з'єднує судини.

Крімметодики виконання робіт, нівелювання поділяють за класами точності, кожному з яких відповідають певні методи та види нівелювання:

І клас (високотковий), якому відповідає випадкова середньоквадратична помилка 0,8 мм/км та систематична помилка 0,08 мм/км;
II клас (високотковий), якому відповідає випадкова середньоквадратична помилка 2,0 мм/км та систематична помилка 0,2 мм/км;
ІІІ клас, якому відповідає випадкова середньоквадратична помилка 5,0 мм/км;
IV клас, якому відповідає випадкова середньоквадратична помилка 10,0 мм/км, що обчислюється по нев'язках отриманих ліній та полігонів.

Крім зазначених класів застосовують технічне нівелювання, клас точності якого нижче четвертого.

Залежно від рельєфу заданої місцевості та завдань зйомки, може використовуватися нівелювання за квадратами, паралельними лініями або полігонами. Перший метод набув найбільшого поширення та широко застосовується для великих відкритих ділянок місцевості з малою висотою перерізу.

Що таке нівелір?

Для виконання геометричного нівелювання, яке повсюдно використовується у будівництві, використовуються нівеліри різних конструкцій. Відповідно до принципу дії поділяють електронні, оптико-механічні, лазерні та гідростатичні нівеліри. Всі прилади оснащені зоровою трубою, яка обертається у горизонтальній площині. Сучасні конструкції нівелірів передбачають автоматичну компенсацію для встановлення зорової осі в робоче положення.

Усі нівеліри поділяються на різні класи точності: високоточні, точні та технічні. Високоточні нівеліри забезпечують похибку виміру менше 2 мм на 1 км подвійного ходу, точні – менше 5 мм.

Історіянівелювання

Перші відомості про нівелювання належать до 1 ст. до н.е., а саме до будівництва зрошувальних каналів у Стародавньому Римі та Греції. Історичні документи згадують водяний нівелір і пов'язують його винахід та використання з іменами Марка Вітрувія, римського архітектора, та Герона олександрійського, давньогрецького вченого.

Поштовхом до розвитку методів нівелювання послужило винахід зорової труби, циліндричного рівня, барометра та сітки ниток у зорових трубах. Всі ці відкриття відносяться до 16-17 століть і дозволили розробити точні методи вимірювання поверхні землі.

В Україні під час царювання Петра I була створена оптична майстерня (1715-1725 р.р.), де серед іншої техніки вироблялися нівеліри, які називалися рівні з трубою. Розробками нівелірів у цій майстерні керував І.Є. Бєляєв. До цього періоду відноситься вимірювання рівня точок поверхні за допомогою барометра.

Початок 19 століття ознаменований появою тригонометричного нівелювання, за допомогою якого було проведено такі масштабні роботи, як визначення різниці рівня Чорного та Азовського морів, виміряна висота гори Ельбрус.

Широке використання геометричного нівелювання належить до середини 19 століття. Наприклад, в 1847 він був використаний при проектуванні Суецького каналу. У вітчизняній геодезії геометричне нівелювання застосовувалося на будівництво сухопутних і водних доріг.

Початок створення вітчизняної нівелірної мережі належить до 1871 року, коли було розпочато роботи зі встановлення пунктів, що є основою для топографічних зйомок.

Застосування нівелювання

Результатом нівелювання є створення опорної геодезичної мережі, яка є основою під час проведення топографічної зйомкимісцевості чи будь-яких геодезичних вимірах.

Нівелювання широко застосовується у наукових і дослідних цілях: щодо фігури земної кулі, рухів земної кори, і навіть для фіксації коливань рівня океанів чи морів.

Нівелірування також повсюдно застосовується на вирішення прикладних завдань, що з будівництвом різних об'єктів, прокладанням інженерних комунікацій, шляхів сполучення тощо. Наприклад, нівелювання необхідно для перенесення проектних рішень по висоті, а також при монтажних роботах для встановлення будівельних конструкцій. Для вирішення цих завдань використовують дані, отримані геодезистами з використанням нівелірів. Крім цього, для вирішення вузькоспеціалізованих завдань застосовуються автоматичні системи нівелювання. До таких завдань відноситься, наприклад, будівництво та ремонт дорожнього полотна. Крім цього, датчики, що входять до системи автоматичного нівелювання, встановлюються на автомобілях, залізничних вагонах, в результаті чого можна отримати готовий профіль місцевості в найкоротші терміни.

Сучасні технології у нівелюванні

На сьогоднішній день, з огляду на надзвичайно швидкий розвиток технологій, для нівелювання поверхні можуть використовуватися різні технології:

лазерні, основою роботи яких покладено зчитування параметрів поверхні з допомогою лазерного сканера;
ультразвукові, головним елементом яких є ультразвуковий датчик, що випромінює хвилі;
GNSS-технології, пов'язані з отриманням даних про поточні координати через супутниковий зв'язок. Така технологія забезпечує найвищу точність нівелювання.

Для ефективної обробки великих потоків даних, одержуваних в результаті застосування вищезазначених технологій, потрібна наявністьспеціального програмного забезпечення, що виконує завдання зберігання, управління, візуалізації та обробки даних.

Сучасні системи нівелювання у дорожньому будівництві

У сучасному дорожньому будівництві широко використовуються автоматизовані системи нівелювання, які дозволяють керувати робочим органом дорожньо-будівельної техніки в залежності від його поточного положення. При цьому системи автоматичного нівелювання відрізняються високою точністю робіт, що значно підвищує якість дорожнього полотна та скорочує загальні терміни будівництва.

Автоматичні системи нівелювання, встановлені на асфальтоукладальниках, дорожніх фрезах або бульдозерах, дають змогу усувати дефекти старого дорожнього полотна при укладанні нового шару покриття. Таке нівелювання контролює поперечний ухил дороги і виконує його точно із заданими проектом параметрами.

Сучасні системи нівелювання для дорожньо-будівельної техніки поділяються на кілька видів в залежності від технології, що використовується:

ультразвукові системи з різною кількістю датчиків;
лазерні системи нівелювання;
системи на базі супутникових GPS-технологій;
тривимірні системи, що працюють на базі тахеометра.

Залежно від складності та необхідної якості дорожньо-будівельних робіт може використовуватися та чи інша система автоматичного нівелювання. Головною особливістю таких систем, що пропонуються лідируючими світовими виробниками, є можливість модернізації систем нівелювання від найпростіших до найскладніших.