Организация геодезических измерений

Автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
“Ленинградский государственный университет им. А.С.Пушкина”

Курсовая работа 
по геодезии

на тему: Организация геодезических измерений

Специальность: Землеустройство и кадастры

Выполнила:  
Студентка I курса Чувашкина А.П.

Научный руководитель:  
А.Г. Парфенков

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Геодезия – наука об измерениях на земной поверхности [13]. В геодезии применяются преимущественно линейные и угловые измерения. Такие измерения необходимы для определения формы и размеров нашей планеты – Земли и её частей, для определения координат пунктов, создания карт, планов и профилей и для строительства различных сооружений. Геодезические измерения производятся также под земной поверхностью (в связи с горными работами, сооружением тоннелей и т.п.), под водой (при съёмках дна морей, океанов, озёр) и в околоземном пространстве. 

Геодезия при решении поставленных перед нею задач пользуется достижениями ряда других наук и прежде всего математики и физики.  
Материалы геодезических работ в виде планов, карт и числовых величин (координат и высот) точек земной поверхности имеют большое применение в различных отраслях народного хозяйства. Всякое сооружение проектируют с учетом имеющихся на местности контуров сооружений, дорог, водных источников, почвы, грунта. Поэтому для проектирования необходим план местности с подробным отображением всех деталей. Проектирование и строительство сел, городов, железных и шоссейных дорог нельзя выполнять без геодезических материалов. 

В теоретических исследованиях и практике геодезических работ особое внимание уделяется определению взаимного положения точек, как в плановом отношении, так и по высоте. Многолетний опыт выполнения такого рода работ позволил выработать основные принципиальные положения, которые следует неукоснительно соблюдать при организации геодезических измерений. Это позволяет свести к минимуму неизбежные ошибки, не допустить накопления погрешностей при переходе от точки к точке, полностью избавиться от грубых промахов. 

Цель данной курсовой работы по геодезии – научиться создавать качественное геодезическое обеспечение работ по проведению земельного кадастра, мониторинга, планирования и осуществления строительства, а также других научных и хозяйственных работ. 

Задачи: освоить современные технологии геодезических работ по тахеометрической съёмке, научиться уравнивать системы теодолитных и нивелирных ходов, определять дополнительные пункты при сгущении геодезической сети, оценивать точность выполненных работ. 

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. В первой главе рассматриваются теоретические основы геодезических измерений, во второй главе практическое применение геодезических измерений.

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Основные принципы организации геодезических работ

Все геодезические измерения, как бы тщательно они не 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 соблюдения основных принципов [10]:

• 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;
• обязательный контроль всех этапов измерительного и вычислительного процессов; без контроля предыдущих измерений и вычислений нельзя приступать к выполнению последующих этапов полевых либо камеральных работ.

Всякая топографическая съемка в точках, закрепленных на местности, плановое и высотное положение которых (т.е. координаты х, у, H) известно. Такие точки называются опорными пунктами. Совокупность этих пунктов составляет опорную сеть [11].

Положение опорных пунктов на земной поверхности может быть определено астрономическими и геодезическими способами.

Астрономический способ заключается в определении геодезических координат (геодезической широты B 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 (B, L) и геодезических азимутов (А) переходят к прямоугольным координатам (х, у) и дирекционным углам (а) 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 см. 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 исходным 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 [4].

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.

Согласно принципу перехода «от общего к частному» вся опорная сеть подразделяется на классы и построение ее осуществляется несколькими ступенями: от сетей высшего класса к низшему, от крупных и точных геометрических построений к более мелким и менее точным. Пункты высших классов располагаются на больших (до нескольких десятков км) расстояния друг от друга и затем последовательно сгущаются путем развития между ними сетей более низких классов. Такой подход позволяет в сжатые сроки с высокой точностью распространить единую систему координат на всю ее территорию страны.

Разделяют плановые геодезические сети, в которых для каждого пункта определяются прямоугольные координаты (х, у) в общегосударственной системе, и высотные, в которых высоты (Н) пунктов определяются в Балтийской системе высот.

Геодезические сети России принято подразделять на [20]:

• государственную геодезическую сеть;
• геодезические сети сгущения;
• съемочные геодезические сети.

Густота геодезических сетей и необходимая точность нахождения планового положения пункта определяется характером научных и инженерно-технических задач, решаемых на этой основе. Поэтому для обеспечения требуемой точности построения геодезических сетей угловые и линейные измерения ее элементов должны выполняться соответствующими приборами и методами.

1.2. Геодезическое оборудование, используемое для выполнения геодезических работ

Геодезические инструменты и оборудование применяются для измерения длин линий, углов, превышении при построении астрономо-геодезической и нивелирной сети, съемке планов местности, строительстве, монтаже и в процессе эксплуатации больших инженерных сооружении [1].

Геодезические инструменты – механические, оптико-механические, электрооптические и радиоэлектронные инструменты, применяемые для измерений на местности, составления планов и крупномасштабных карт.

Геодезические инструменты различают:

• для измерения расстояний: мерная лента, дальномеры;
• для измерения углов: теодолиты;
• для определения относительных высот: нивелиры;
• для комплексной съемки местности: кипрегель и др.

Нивелир – оптико-механический геодезический инструмент для определения разницы высот точек земной поверхности (геометрического нивелирования). Основными частями нивелира являются зрительная труба, устанавливаемая строго горизонтально и вращающаяся в горизонтальной плоскости, и чувствительный уровень. Разность между цифрами, которые видны в нивелире на двух вертикальных рейках с делениями, равна разности высот точек, в которых установлены рейки. При точном нивелировании учитывается кривизна Земли. Сегодня используются лазерные и электронные нивелиры.

Лазерные нивелиры в основном используют при выполнении строительно-монтажных работ внутри зданий, для задания опорной плоскости при укладке полов, установке и выравнивании стен и перегородок, контроле отметок фундамента здания, установке бетонных блоков или для нивелирования площадей, вертикальной планировки, автоматизации геодезического контроля при движении строительных машин и механизмов во время работы, прокладке дренажных и канализационных систем. С помощью лазерных нивелиров также выполняют контроль качества дорог, когда требуется осуществлять контроль ровности покрытия при выемке и перемещении грунта, забивке свай, строительстве аэродромов и т. д. Если сравнивать с традиционными технологиями, лазерные нивелиры позволяют максимально увеличить производительность труда, исключить необходимость перепроверки и сократить время, затрачиваемое на выполнение работ.

Рис. 1. Лазерный нивелир

В настоящее время наибольшая степень автоматизации геометрического нивелирования достигается при использовании цифровых нивелиров, которые выпускаются только зарубежными фирмами.

Эти приборы являются пассивными. В качестве приемного устройства в них использована ПЗС – матрица (прибор с зарядовой связью), устанавливаемая в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой цифрового нивелира.

Рис.2. Цифровой нивелир

Теодолит [5] – основной геодезический инструмент для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов. Теодолит состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси горизонтального круга (лимба) с алидадой, на подставки которой опирается горизонтальная ось вращения зрительной трубы и вертикального круга. Теодолит применяется при геодезических, астрономических, инженерных работах. На смену оптическому теодолиту пришел электронные теодолит.

Рис.3. Оптический теодолит ОТ-05 GEOBOX

Рис.4. Электронный теодолит NIKON NE-102

Уровень – приспособление для проверки горизонтальности линий и поверхностей и измерения малых углов наклона. Основную часть уровня составляет заполненная легкой жидкостью (за исключением небольшого объема "пузырька") стеклянная ампула.

Рис.5. Уровень

Кипрегель [3] – геодезический инструмент, предназначенный для измерения вертикальных углов, расстояний, превышений и графических построений направлений при выполнении топографических съемок.

Рис.6. Кипрегель КА-2

Мензула – полевой чертежный столик, состоящий из планшета, штатива и скрепляющей их подставки.

Рис.7. Мензула

Штатив – приспособление в виде складной треноги или струбцины для жесткой фиксации фотографических, геодезических и других приборов.

Деревянный штатив служит для установки геодезических приборов. Выдвижные опоры штатива выполнены из специально обработанной древесины. Металлические части изготовлены из антимагнитных материалов, наконечники выдвижных опор из твердого сплава.

Штатив металлический служит для установки геодезических приборов. Выдвижные опоры штативы выполнены из алюминиевого сплава. Металлические части изготовлены из антимагнитных материалов,  наконечники выдвижных опор из твердого сплава.

Рис.8. Штатив геодезический SJW40

Рейка – в геодезических работах – деревянный брус высотой 3-4 м с делениями по 1-5 см, устанавливаемый вертикально в наблюдаемых точках при нивелировании и топографической съемке. Различают:

• нивелирные рейки для измерения превышений;
• геодезические мерки, применяемые в качестве визирной цели.

Рис.9. Рейка из дерева

Мерная лента – штриховая мера длины, представляющая собой металлическую ленту с нанесенной шкалой. Мерная лента применяемая в геодезии для измерений расстояний на местности.

Рис.10 . Мерная лента

Пантометр – угломерный геодезический инструмент, применявшийся при съемке лесов и торфяных болот.

Дальномер – прибор, служащий для определения расстояний без их непосредственного измерения на местности. Дальномер встраивается в зрительную трубу многих геодезических инструментов. При этом расстояние определяется с помощью рейки с делениями, стоящей на другом конце измеряемого отрезка. Свето-, радио- и лазерные дальномеры основаны на измерении времени прохождения волн соответствующего диапазона от дальномера до второго конца измеряемой линии и обратно.

Буссоль [3] – инструмент для измерения магнитного азимута направлений на местности. Буссоль применяют при геодезических работах, в маркшейдерии, в артиллерии (при управлении огнем).

Стереофотограмметрические приборы – оптико-механические и электронные устройства, дополненные в ряде случаев ЭВМ и средствами автоматики. Стереофотограмметрические приборы позволяют по стереоскопическим снимкам местности (стереопарам) определять размеры, форму и положение (координаты) изображенных на них предметов, а также вычерчивать топографические планы и карты.

Эклиметр – портативный геодезический прибор для измерения с невысокой точностью углов наклона на местности. Эклиметр представляет собой круглую коробку, скрепленную с визирной трубкой. Внутри коробки находится диск с делениями, центр тяжести которого помещен так, что при горизонтальном положении визирной трубки по шкале диска читается 0 град., при наклонном – соответствующая величина угла наклона.

Базисный прибор – геодезический прибор, предназначенный для измерения длин линий на местности (базисов) методом непосредственного откладывания мерных проволок.

Длинномер – прибор для измерения расстояний с помощью мерного блока и гибкой нити. Длинномер применяется при инженерно-геодезических, маркшейдерских и других работах.

Как бы тщательно не выполнялось любое измерение, как бы не были совершенны приборы и инструменты, всякое измерение неизбежно сопровождается погрешностью. Действительно, если многократно измерять одну и ту же величину, то результаты почти всегда будут отличаться.

1.3. Виды геодезических измерений

Вид геодезических измерений – классификационная категория геодезических измерений, выделяемая по признаку измеряемой геодезической величины.

При геодезических работах основной объем информации получают с помощью геодезических измерений, которые классифицируются следующим образом [14]:

• по назначению;
• по точности;
• по объему:
• по характеру получаемой информации;
• по инструментальной природе получаемой информации;
• по взаимозависимости результатов измерений.

Различают следующие виды геодезических измерений:

• угловые (геодезические) измерения – вид геодезических измерений, в которых измеряемой геодезической величиной являются горизонтальные и (или) вертикальные углы (зенитные расстояния).
• линейные (геодезические) измерения – вид геодезических измерений, в которых измеряемой геодезической величиной являются длины сторон геодезических сетей (расстояния или их разности).
• геодезические измерения превышений – вид линейных геодезических измерений, в которых измеряемой геодезической величиной являются разности высот пунктов (точек).
• гироскопические измерения (гироскопическое ориентирование) – вид угловых геодезических измерений, в которых измеряемой геодезической величиной являются азимуты направлений, определенные с помощью гироскопических приборов.
• геодезические измерения координат (координатные измерения) – вид геодезических измерений, в которых измеряемой геодезической величиной является положение геодезических пунктов относительно исходных пунктов в заданной отсчетной системе.

Геодезия и маркшейдерия относятся к таким областям техники, где измерения являются необходимым элементом производственной деятельности. Изменения в геодезии являются количественной и качественной основой для изучения Земли, отдельных ее фрагментов, для получения исходной информации при решении всех инженерно-геодезических задач и выполнения топографических работ. Любое измерение выражается количественной характеристикой (величиной угла, длиной линии, превышением, площадью участка местности и т.п.) и имеет качественную сторону, которая характеризует точность полученного результата.

1.4. Методы геодезических измерений

Прямые геодезические измерения – метод геодезических измерений, при котором значение измеряемой геодезической величины получают непосредственно [12].

Косвенные геодезические измерения – метод геодезических измерений, при котором значение геодезической величины определяют как функцию других величин, полученных непосредственно.

Метод измерений во всех комбинациях – метод геодезических измерений, заключающийся в наблюдении не только геодезических величин, расположенных между смежными пунктами, но и их различных сочетаний.

Метод приемов  –  метод геодезических измерений, заключающийся в неоднократных определениях одной и той же геодезической величины по единой методике.

Метод круговых приемов – метод геодезических измерений углов путем последовательного наблюдения визирных целей, расположенных по кругу с повторным наблюдением первого (начального) направления.

Метод двойных измерений – метод геодезических измерений, заключающийся в исполнении однородных геодезических измерений сериями, состоящими из двух приемов.

Метод повторений – метод геодезических измерений, заключающийся в определении n-кратного значения измеряемой геодезической величины и последующем вычислении искомого значения.

Метод измерений "вперед" – метод геодезических измерений, заключающийся в наблюдении точки передней по ходу.

Метод измерений «из середины» – метод геодезических измерений, заключающийся в последовательном наблюдении смежных пунктов (точек) прокладываемого хода с помощью прибора, расположенного между ними.

Метод измерений "через точку" – метод геодезических измерений, выполняемых при установке прибора либо на четных, либо на нечетных пунктах хода.

Многоштативный метод измерений – метод геодезических измерений, заключающийся в ослаблении погрешностей центрирования путем установки одновременно на нескольких смежных пунктах сети штативов с подставками для размещения в них визирных целей или прибора. Наибольшее распространение на практике получил трехштативный метод измерений.

Различают два метода геодезических измерений [18]:

• непосредственные;
• посредственные (косвенные).

Непосредственные – измерения, при которых определяемые величины получают в результате непосредственного сравнения с единицей измерения.

Косвенные – измерения, при которых определяемые величины получаются как функции других непосредственно измеренных величин.

Процесс измерения включает:

• объект – свойства которого, например, размер характеризуют

результат измерения;

• техническое средство – получать результат в заданных

единицах;

• метод измерений – обусловлен теорией практических действий

и приёмов технических средств;

• исполнитель измерений – регистрирующее устройство;
• внешняя среда, в которой происходит процесс измерений.

Измерением называется процесс сравнения некоторой физической величины с другой одноименной величиной, принятой за единицу меры.

Единица меры – значение физической величины, принятой для количественной оценки величины того же рода.

1.5. Результаты геодезических измерений

Под результатом геодезического измерения подразумевается конечный результат, который получается в процессе всех произведенных измерений и вычислений [2]. Например,  конечным результатом может быть высота точки, ее плановые координаты, площадь участка и т.д.

Результаты геодезических измерений могут быть:

• равноточные;
• неравноточные.

Равноточные – это результаты измерений однородных величин, выполняемых с помощью приборов одного класса, одним и  тем же методом, одним исполнителем при одних и тех же условиях. Если хотя бы один из этих элементов, составляющий совокупность, меняется, то результат измерений неравноточный.

Примером равноточных измерений могут являться результаты измерений длины одной и той же линии либо линий, примерно равных друг другу, полученные при неизменных условиях внешней среды, одним и тем же измерительным средством (прибором), одними и теми же исполнителями работ, по общей для всех результатов измерений программе [14].

Если в процессе измерений длины линии, например, светодальнометром, изменится температура окружающего воздуха, влажность, давление, то это может привести к получению части неравноточных результатов в общей группе результатов измерений, поскольку при изменении внешних условий может произойти и изменение характеристик измерительного прибора, характеристик прохождения светового луча в атмосфере.

Число измеренных величин и число измерений может быть [6]:

• необходимым;
• избыточным.

При измерении, например, углов в треугольнике число необходимых измерений величин равно двум, в семиугольнике – шести. Значение третьего (седьмого) угла можно вычислить по сумме двух (шести) измеренных углов. Если необходимо решить плоский треугольник, то дополнительно к измеренным двум углам обязательным является знание длины хотя бы одной из его сторон, в связи с чем число необходимых измерений величин должно быть равно трем (одно измерение – линейное, два – угловые). Та же задача решается и при выполнении двух линейных измерений и одного угла, заключенного между измеренными сторонами треугольника.

Таким образом, числом необходимых измеренных величин является минимально необходимое их число, при котором обеспечивается решение поставленной задачи. Число же измеренных величин, превышающих число необходимых, называется числом избыточных величин [16]. В геодезии принято обязательно получать и избыточные величины, что обнаружение грубых погрешностей и промахов, позволяет повысить точность результатов измерений. Поэтому в треугольнике, например, обязательно измерять все три угла и сравнивают полученную сумму углов с теоретической.

Если сформулировать задачу с точно обеспечения заданной точности измерений, то необходимое число измерений должно обеспечивать заданную точность измерений одной величины или самого результата измерений. Так, в том же треугольнике, каждый из его углов может быть измерен несколько раз. Все избыточные измерения повышают надежность результатов, а также их точность, но в то же время и увеличивают объем работ, и часто прирост увеличения точности становится экономически нецелесообразным из-за большого числа измерений. Иногда говорят, что число необходимых измерений, например, горизонтального угла, является одно измерение, остальные – избыточные. Это не всегда так, поскольку, одно и измерение не позволяет производить оценку точности и может содержать неконтролируемую грубую погрешность.

Как правило, результаты геодезических измерений непосредственно не используются, а предварительно подвергаются математической обработке, которая с помощью вычислительных методов и средств приводит результаты измерений к виду, удобному для практического использования.

Глава 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Классификация погрешностей геодезических измерений. Средняя квадратическая погрешность. Формы Гаусса и Бесселя для её вычисления

Геодезические измерения, выполняемые даже в очень хороших условиях, сопровождаются погрешностями, т.е отклонение результата измерений (L) от истинного значения (Х) нумеруемой величины [8]: