Введение
Геодезия – наука об определении формы и размеров Земли, об измерениях на земной поверхности, вычислительной обработке их для построения карт, планов, профилей и для решения инженерных, экономических и других задач.
Геодезия возникла в глубокой древности и развивалась с ростом потребностей человека в жилье, делении земельных массивов, изучении природных богатств и их освоении.
Научно-технические задачи геодезии в обобщенном виде заключаются в следующем:
− определение положения точек в выбранной системе координат;
− составление карт и планов местности разного назначения;
− обеспечение топографо-геодезическими данными нужд обороны страны;
− выполнение геодезических измерений для целей проектирования и строительства, землепользования, кадастра, исследования природных ресурсов и др.
Под съемкой понимают совокупность измерений, выполняемых на местности с целью создания карты или плана. Различают горизонтальную (контурную), вертикальную и топографическую съемки. В результате горизонтальной съемки получают контурный план, на котором изображены только предметы и контуры местности.При вертикальной съемки получают план, на котором горизонталями изображен рельеф участка местности. Топографическая съемка – это совокупность горизонтальной и вертикальной съемок, в результате которых на плане (карте) получают изображение предметов, контуров и рельефа местности.
Съемка выполняется с точек, расположенных определенным образом на местности и положение которых заранее известно. Применяют различный виды съемок.
Горизонтальная съемка
Как правило, горизонтальная съемка является теодолитной съемкой. Теодолитная съемка — топографическая съемка, выполняемая с помощью теодолита и мерных приборов или дальномеров.
Обычно цель теодолитной съемки — получение контурного плана местности — плана, на котором отображена только ситуация, а изображение рельефа отсутствует. Измерение горизонтальных и вертикальных углов при этом осуществляется теодолитом, а измерение сторон — лентами или дальномерами. Теодолитная съемка применяется в равнинной местности, в населенных пунктах, на застроенных участках и проч. Для получения изображения рельефа выполняют нивелирование поверхности по квадратам или магистральным ходам.
Теодолитная съемка разделяется на следующие процессы:
1) создание планового съемочного обоснования;
2) его привязка к пунктам геодезической сети;
3) съемка ситуации.
При этом выделяют полевые и камеральные работы — обработку материалов полевых работ. План топографической съемки составляют по материалам теодолитной съемки в камеральных условиях.
Перед выполнением съемки наземными методами на снимаемом участке местности создается съемочная геодезическая сеть, или съемочное обоснование — геодезическая сеть, предназначенная для непосредственного выполнения топографических съемок. Съемочное обоснование, как правило, создается в виде теодолитных ходов (обычно на застроенной территории), реже — построением микротриангуляции (только на открытой местности). В процессе создания планового съемочного обоснования стороны теодолитного хода стремятся прокладывать по ровным, твердым и удобным для измерений местам. Длина сторон теодолитного хода зависит от масштаба предстоящей топографической съемки и колеблется в пределах от 20 до 400 м, углы наклона могут достигать 5°. Съемка подробностей (ситуации) проводится с опорных точек и линий теодолитного хода, который прокладывается между опорными пунктами триангуляции, полигонометрии или образуется в виде системы замкнутых полигонов (многоугольников). Качество проложенного теодолитного хода определяется путем сопоставления фактических ошибок (невязок) с допустимыми. Погрешность измерения углов в теодолитном ходе обычно составляет 0,5—1'. Точность измерения длин сторон характеризуется относительной погрешностью, составляющей не более 1:2000 их длины.
Имеющую координаты и высоту в соответствующей системе координат и высот и закрепленную на местности точку съемочного обоснования, с которой выполняется съемка данного участка местности, называют съемочной точкой, или станцией. Точку земной поверхности, положение которой определяется относительно станции в процессе съемки, называют съемочным пикетом (иногда — пикетом).
Теодолитная съемка заключается только в горизонтальной съемке, которая сводится к определению планового положения отдельных точек земной поверхности и геопространственных объектов в некоторой системе координат в целях дальнейшего нанесения их изображений на план.
Строение и принцип работы теодолита
Прибор для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов называется теодолитом. Устройство теодолита основано на законах оптики, механики, электроники.
У первых теодолитов в центре угломерного круга на острие иголки помещалась линейка, которая могла свободно вращаться на этом острие (как стрелка у компаса); в линейке были сделаны вырезы и в них натянуты нити, играющие роль отсчетных индексов. Центр угломерного круга помещали в вершину измеряемого угла и надежно его закрепляли. Поворачивая линейку, совмещали ее с первой стороной угла и брали отсчет N1 по шкале угломерного круга. Затем совмещали линейку со второй стороной угла и брали отсчет N2. Разность отсчетов N2 и N1 равна значению угла. Подвижная линейка называлась алидадой, а сам угломерный круг назывался лимбом. Для совмещения линейки-алидады со сторонами угла применялись примитивные визиры.
Современные теодолиты, сохранив идею измерения угла, конструктивно значительно отличаются от старинных теодолитов.
На Рисунке 1 представлено устройство теодолита.
Рисунок 1 – основные части теодолита
1 – подставка
2 – закрепительный винт лимба
3 – наводящий винт алидады
4 – наводящий винт зрительной трубы
5 – окуляр отсчётного устройства
6 – оптический визир
7 – вертикальный круг
8 – закрепительный винт зрительной трубы
9 – кремальера
10 – исправительные винты уровня
11 – уровень
12 – закрепительный винт алидады
13 – наводящий винт лимба
14 – трегер
15 – подъёмные винты
16 – пружинящая пластина
У оптических теодолитов данного типа отсчётными устройствами являются: штриховой и шкаловой микроскопы. На рисунке 2а показано поле зрения штрихового микроскопа, где кроме делений лимба с ценой деления 10' виден штрих, по которому на глаз оценивают десятые доли наименьшего деления лимба.
Более точные отсчёты даёт шкаловой микроскоп. На рисунке 2б изображена шкала с наименьшим делением лимба 60'. Шкала микроскопа разделена на 12 частей, т.е. одно деление равняется 5'.
2а 
2б 
Рисунок 2а Штриховой микроскоп
Рисунок 2б Шкаловой микроскоп
Принцип теодолитной съемки заключается в получении неизвестных значений координат и высот требуемой точки, опираясь на точки с известными значениями.
Перед началом съемки теодолит необходимо привести в рабочее положение. Инструмент устанавливается на штативе над точкой с известными координатами и приводится в горизонтальное положение специальными винтами, расположенными на подставке. В окуляр мы видим центр визируемой точки, над которой устанавливаем инструмент, а уровни помогают нам контролировать горизонтальное положение инструмента. Работая зажимными винтами штатива и подставки, добиваемся такого положения, когда инструмент установлен горизонтально над стартовой точкой. В высокоточных инструментах система центрировки – оптическая, в остальных используется отвес на нити.
Далее визиром грубо наводимся на цель, а винтами плавно подводим сетку нитей на центр снимаемого объекта, контролируя процесс с помощью зрительной трубы. Так как инструмент оптический, снять отсчет в тёмное время суток невозможно. Для работы нам понадобится настроить зеркальце таким образом, чтобы в систему попадало как можно больше света. После визирования цели берем отсчет, воспользовавшись окуляром микроскопа.
Поверки теодолита
Поверками теодолита называют действия, имеющие целью выявить, выполнены ли геометрические условия, предъявляемые к инструменту. Для выполнения нарушенных условий производят исправление, называемое юстировкой инструмента.
1. Ось цилиндрического уровня алидады горизонтального круга должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады.
Это условие необходимо для приведения оси вращения инструмента (алидады) в рабочее положение, то есть чтобы при измерениях углов она была вертикальна. Для проверки выполнения условия поворотом алидады устанавливают ось проверяемого уровня по направлению каких-либо двух подъёмных винтов и одновременным вращением их в разные стороны приводят пузырек уровня в нуль пункт (на середину ампулы), тогда ось уровня займет горизонтальное положение. Повернем алидаду, а вместе с ней и уровень точно на 180 градусов.
Если после приведения пузырька уровня в нуль пункт и поворота алидады на 180° пузырек уровня останется на месте, то условие выполнено.
2. Одна из нитей сетки должна находиться в вертикальной плоскости.
Поверку и юстировку этого условия можно выполнить при помощи отвеса, установленного в 5—10 м от инструмента. Если поверяемая нить сетки не совпадет с изображением отвеса в поле зрения трубы, то снимают колпачок, слегка ослабляют (примерно на полоборота) четыре винта, крепящих окулярную часть с корпусом трубы, и поворачивают окулярную часть с сеткой до требуемого положения. Закрепляют винты и надевают колпачок. После юстировки вторая нить сетки должна быть горизонтальна.
3. Визирная ось должна быть перпендикулярна оси вращения зрительной трубы.
Это условие необходимо для того, чтобы при вращении трубы вокруг её оси визирная ось описывала плоскость, а не конические поверхности. Визирную плоскость называют также коллимационной. Вертикальный круг вращается вокруг оси вместе с трубой. Для перевода трубы из положения КП в положение КЛ или наоборот надо перевести её через зенит при неподвижном лимбе и повернуть алидаду на глаз на 180°, чтобы можно было наводить трубу на один и тот же предмет при различных её положениях. При этом на том месте относительно лимба, где находится верньер 1, теперь будет расположен диаметрально противоположный верньер 2, а отсчёты числа градусов, взятые по верньеру I до поворота алидады и по верньеру II после поворота алидады на 180°, должны быть одинаковы. Если визирная ось перпендикулярна оси вращения зрительной трубы, то при наведении её при КП и КЛ на удалённую точку, расположенную приблизительно на уровне оси вращения зрительной трубы, по закреплённому горизонтальному лимбу получим верные отсчёты дуги с помощью I (при КП) и II (при КЛ) верньеров. Если же визирная ось не перпендикулярна оси вращения трубы и занимает при КП и при КЛ неверное положение, то в отсчёты по горизонтальному лимбу войдет ошибка, соответствующая повороту визирной оси на угол, называемый коллимационной ошибкой. Проекция этого угла на горизонтальную плоскость лимба меняется в зависимости от угла наклона визирной оси. Поэтому при выполнении этой поверки линия визирования должна быть по возможности горизонтальна.
Юстировка: ослабив слегка один вертикальный, например верхний, исправительный винт при сетке нитей, передвигают сетку, действуя боковыми исправительными винтами при ней до совмещения точки пересечения нитей с изображением наблюдаемой точки.
4. Ось вращения зрительной трубы должна быть перпендикулярна оси вращения инструмента (алидады).
Это условие необходимо для того, чтобы после приведения инструмента в рабочее положение коллимационная (визирная) плоскость была вертикальна. Для поверки выполнения данного условия приводят инструмент в рабочее положение и направляют точку пересечения сетки нитей на высокую и близкую (на расстоянии 10—20 м от инструмента) точку, выбранную на какой-нибудь светлой стене. Не поворачивая алидады, наклоняют трубу объективом вниз до примерно горизонтального положения её оси и отмечают на той же стене точку, в которую проецируется точка пересечения нитей. Переведя трубу через зенит, при другом положении круга снова направляют визирную ось на ту же точку и подобно предыдущему, наклонив трубу до приблизительно горизонтального положения, отмечают точку. Если обе точки совместятся в одной точке, то условие выполнено.
5. Место нуля вертикального круга теодолита должно быть постоянным.
Для поверки горизонтируют теодолит и 2-3 раза определяют место нуля. Определение места нуля включает визирование на одну и ту же точку при КЛ и КП. При каждом наведении на выбранную точку производят отсчет по вертикальному кругу теодолита. Если нет компенсатора, то предварительно пузырёк уровня при алидаде вертикального круга обязательно устанавливают в нуль-пункт. Если колебания места нуля не превышают двойной точности отсчета по кругу, то можно считать, что поверка выполняется, в исключительных случаях производится дополнительный замер через баланс осей.
1.3 Составление плана горизонтальной съемки
1.4 Вычерчивание плана горизонтальной съемки
Вертикальная съемка
Вертикальная съемка имеет своей целью отображение на планах и картах естественного и искусственного рельефов — совокупности неровностей земной поверхности. Один из способов вертикальной съемки — геометрическое нивелирование. Кроме топографической съемки в практике строительных работ часто возникает необходимость нивелирования некоторых площадей, например при определении объемов земляных работ. Существует два способа геометрического нивелирования поверхности: по квадратам и по магистралям.
Нивелирование поверхности по квадратам применяется на незастроенных территориях. При использовании этого способа с помощью теодолита и мерной ленты или рулетки на местности разбивается сетка квадратов. Вершины сетки квадратов закрепляются кольями, отрезками труб, металлическими штырями и т.п. Размеры квадратов зависят от сложности рельефа и сложности сооружения и могут быть 10, 20, 40 или 50 м.
При малых размерах сетки, если позволяет рельеф участка местности, ее нивелирование осуществляется с одной постановки инструмента (станции). При больших размерах сетки прокладывается нивелирный ход, в который включается некоторое число вершин сетки квадратов, высоты которых вычисляются в результате обработки хода и от которых затем можно будет определить высоты всех остальных ее вершин.
При проложении нивелирного хода может одновременно выполняться съемка сетки квадратов. Преимущество такой организации работ заключается в более высокой производительности труда. Недостаток же состоит в том, что при получении недопустимой невязки требуется не только повторное проложение хода, но и повторное выполнение съемки квадратов.
Рисунок 3 - Нивелирование по квадратам
Рассмотрим в качестве примера рис.3. На нем изображен проложенный для определения высот сетки квадратов разомкнутый ход технического нивелирования от Рп. 1 до Рп. 2, в который были включены вершины квадратов, помеченные как А, В и С. После камеральной обработки нивелирного хода были получены высоты перечисленных точек А, В и С. После этого выполнялась вертикальная съемка участка. Нивелир был установлен на станции 1 и с него выполнена съемка вершин квадратов, помеченных малыми залитыми кружками. Для этого была установлена рейка на вершину А и взят отсчет а по ее черной стороне. Поскольку высота точки А известна (из обработки нивелирного хода), можно вычислить горизонт прибора ГП, = НА + а. Затем на каждой доступной с данной станции вершине сетки квадратов (помечены залитым кружком) устанавливается рейка и берется отсчет Ь по черной стороне. Высота вершины вычисляется как разность //, = ГП, - Ьг Затем был осуществлен переход на станцию 2 и выполнено определение высот вершин, помеченных незалитыми кружками, после этого — переход на станцию 3 и т.д.
На застроенной территории нивелирование поверхности осуществляется по магистралям и поперечникам к ним. С этой целью по магистральным линиям прокладываются совмещенные теодолитные и нивелирные ходы и осуществляется их привязка к опорной сети.