Нивелированием называют комплекс геодезических работ, связанных с измерением превышений и высот точек местности. Данные работы проводятся при решении различных инженерно-геодезических задач в строительстве, при высотной съемке местности, а также научно-технических задач при изучении динамических процессов движения земной коры, исследовании разностей уровня воды в морях и океанах, при изучении деформаций инженерных сооружений и др.
Существует несколько основных способов и методов нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, гидростатическое, барометрическое, механическое, стереофотограмметрическое.
Геометрическое нивелирование выполняют с помощью горизонтального визирного луча, образованного прибором, например, нивелиром. Превышение между точками получают как разность отсчетов по рейкам, установленных в этих точках.
При использовании высокоточных нивелиров и соблюдении специальных методик измерений может быть обеспечена точность определения превышений (передачи абсолютных высот) до 0,5 – 0,7 мм на 1 км хода, до 0,05 – 0,10 мм и менее – на коротких базах, т.е. при сравнительно небольших (до 20 м) расстояниях между точками. При техническом нивелировании точность передачи высот составляет 20 – 50 мм на 1 км хода.
Указанный большой диапазон точности измерений (от 0,05 до 50 мм) позволяет применять данный способ практически при решении любых инженерно-геодезических задач по определению превышений и высот точек. Кроме того, способ геометрического нивелирования по исполнению работ сравнительно прост, не требует использования громоздкого оборудования, вычислительные действия могут выполняться непосредственно в поле.
Рис. 9.1. Гидростатическое нивелирование
Тригонометрическое нивелирование выполняют наклонным визирным лучом, образованным, например, оптической системой теодолита . Часто такой вид нивелирования используют при создании высотного обоснования теодолитных ходов, при передаче высот через недоступные расстояния, при больших уклонах местности, в горных выработках, когда наблюдаемые точки находятся в кровле выработки, а также в выработках, имеющих значительный уклон.
При соответствующей организации работ погрешность в определении превышения данным способом может достигать 0,1 – 0,3 м на 1 км хода. На небольших базах при использовании точных и высокоточных приборов превышения можно определять с точностью до 1 – 2 мм.
Очевидно, что при использовании нивелирных реек и установке угла наклона визирной оси зрительной трубы ν = 0о (при установке на шкале вертикального круга значения места нуля) теодолитом можно реализовать способ геометрического нивелирования.
Следующие виды нивелирования (барометрическое, гидростатическое, радиолокационное) относятся к физическим методам нивелирования.
Барометрическое нивелирование основано на изменении атмосферного давления с изменением высоты точки местности. Точность этого метода небольшая, от 1 до 5 м, однако часто барометрическое нивелирование применяют геологи при поисковых работах в горной и значительно пересеченной местности, при больших перепадах высот.
Для нивелирования используют барометры-анероиды, в показания которых вводят поправки за влияние внешних условий. Поскольку атмосферное давление в каждой точке изменяется по метеорологическим условиям, то для повышения точности ходы барометрического нивелирования прокладывают замкнутыми (с возвращением к исходной точке), либо разомкнутыми (между точками с известными высотами).
При гидростатическом нивелировании используется свойство жидкостей устанавливаться в сообщающихся сосудах на одном уровне. На измерительных колбах 1 и 2 (рис. 9.1), заполненных жидкостью имеются одинаковые шкалы, по которым производят отсчеты а и b уровня жидкости в точках А и В. Разность отсчетов характеризует превышение:
h = a – b, (9.1)
Погрешности в определении превышений при использовании различных конструкций гидронивелиров могут находиться в пределах от 0,1 до 2 мм. При измерениях с точностью до 1 – 2 мм отсчеты по шкалам берутся визуально. При более точных измерениях уровень жидкости в каждом из сосудов регистрируют электрическим способом с помощью электрического контакта с микрометренным винтом, закрепленного на сосуде (в этом случае используется токопроводящая жидкость).
Гидростатические нивелиры являются чаще всего стационарными системами и содержат несколько измерительных сосудов, соединенных между собой гибкими шлангами. Такие системы устанавливают на плотинах гидроэлектростанций, в горных выработках при исследовании геомеханических процессов, на прецезионных технологических комплексах. Гидростатическое нивелирование используют при передаче высот через большие водные препятствия. Имеются конструкции гидронивелиров, позволяющие определять взаимное смещение точек на базе 50 м с погрешностью до 5 – 10 мкм.
Радиолокационное нивелирование используют при нивелировании земной поверхности с самолета или другого летательного аппарата (аэрорадионивелирование). Погрешность в определении высот в зависимости от условий съемки достигает 2 – 5 м (до 10 м).
Этот вид нивелирования применяют для построения профиля местности и определения высот фотографирования при аэрофотосъемке. Он основан на непрерывном измерении расстояния с самолета до поверхности земли с помощью излучаемого передатчиком электромагнитного сигнала и приема его после отражения от подстилающей поверхности. Регистрируется время τ нахождения сигнала на двойном пути s, т.е используется радиодальномер.
Механическое нивелирование используют, в основном, для профилирования железнодорожных путей, подкрановых наземных и высотных путей и балок. Специальные приборы позволяют автоматически регистрировать при перемещении по направляющим (рельсам) пройденное расстояние, высоту и профиль пути, а также уклоны. Погрешность в определении превышений составляет от 0,15 до 0,30 м на 1 км пройденного расстояния.
Стереофотограмметрическое нивелирование реализуется при обработке стереопар фотоснимков одной и той же местности, полученных как при наземной фототеодолитной съемке, так и при воздушной съемке с летательных аппаратов. При наземной съемке используют фототеодолиты, представляющие собой теодолит, совмещенный с фотоаппаратом. При воздушной съемке применяются специальные аэрофотоаппараты, устанавливаемые на самолете на гиростабилизированной платформе, позволяющей удерживать оптическую ось фотокамеры в отвесном положении, либо близком к отвесному положению.
Данный вид нивелирования широко применяют при составлении топографических планов и карт по фотоснимками, при наблюдениях за деформациями, происходящими на инженерных сооружениях, в том числе и в горных выработках, при исследовании поверхностных перемещений земной поверхности в локальных областях (чаще – склоновых процессов сдвижения земной поверхности).