Введение

Выравнивание или нивелирование (англ. levelling или leveling; см. различия в написании) — это раздел геодезии, целью которого является определение, проверка или измерение высоты заданных точек относительно уровня отсчета. Оно широко используется в геодезии и картографии для измерения вертикального положения относительно вертикальной опорной поверхности, а также в строительстве для измерения перепадов высот строительных конструкций.

Оптическое выравнивание

Оптическое нивелирование, также известное как нивелирование с помощью уровня и дифференциальное нивелирование, использует оптический нивелир, состоящий из прецизионного телескопа с перекрестием и стадиями. Перекрестие используется для определения нивелирной точки на цели, а стадии позволяют определять расстояние; стадии обычно имеют соотношение 100:1, при котором один метр между штрихами стадий на нивелире (или рейке) соответствует 100 метрам до цели. Полный прибор обычно устанавливается на штатив, и телескоп может свободно вращаться на 360° в горизонтальной плоскости. Геодезист регулирует уровень прибора грубой настройкой ножек штатива и точной настройкой с помощью трех прецизионных выравнивающих винтов на приборе, чтобы сделать плоскость вращения горизонтальной. Геодезист выполняет это с использованием цилиндрического уровня, встроенного в основание прибора.

Процедура

Геодезист смотрит в окуляр телескопа, в то время как помощник держит вертикальный нивелирный рейку, градуированную в дюймах или сантиметрах. Нивелирный рейку устанавливают вертикально с помощью уровня, опирая основание на точку, для которой требуется определение высоты. Телескоп вращают и фокусируют до тех пор, пока рейка не станет четко видна в перекрестии нитей. В случае высокоточного ручного нивелира тонкая регулировка осуществляется альтиметровым винтом с использованием высокоточного пузырькового уровня, закрепленного на телескопе. Наблюдение за пузырьковым уровнем возможно через зеркало во время регулировки, либо концы пузырька отображаются непосредственно в поле зрения телескопа, что позволяет контролировать точность установки телескопа во время наведения. Однако в автоматическом нивелире регулировка высоты происходит автоматически за счет подвешенной призмы под действием силы тяжести, при условии, что предварительное грубое нивелирование выполнено с достаточной точностью. Когда нивелир установлен в строго горизонтальное положение, записывается показание рейки в перекрестии нитей, и на месте опоры рейки на объекте или точке, подлежащей съемке, устанавливается идентифицирующая отметка или маркер. Типичная процедура нивелирования линейного маршрута от известного репера выглядит следующим образом. Инструмент устанавливают в пределах досягаемости точки с известной или предполагаемой высотой. На этой точке вертикально устанавливают рейку, и инструмент используется для ручного или автоматического считывания показаний шкалы рейки. Это позволяет определить высоту инструмента над начальной точкой (задним пунктом) и вычислить высоту инструмента (ВН) относительно репера. Затем рейку устанавливают на неизвестной точке и выполняют считывание таким же образом, что позволяет вычислить высоту новой точки (передним пунктом). Разница между двумя показаниями равна превышению, поэтому этот метод также называют дифференциальной нивелировкой. Процедура повторяется до достижения конечной точки. Обычно выполняют замкнутую петлю, возвращаясь к начальной точке, или замыкают трассу на второй точке с известной высотой. Проверка замкнутости позволяет выявить грубые ошибки и распределить остаточную ошибку между пунктами наиболее вероятным образом. Некоторые инструменты оснащены тремя перекрестиями нитей, что позволяет выполнять стадийные измерения расстояний до переднего и заднего пунктов. Также это позволяет использовать среднее значение трех показаний (трехнитиевое нивелирование) для контроля ошибок и усреднения погрешности интерполяции между штрихами на шкале рейки. Существуют два основных типа нивелирования: однократное нивелирование, как описано выше, и двукратное нивелирование (двойная съемка рейки). При двукратном нивелировании геодезист выполняет два считывания рейки на переднем пункте и два считывания на заднем пункте, обеспечивая равенство разностей между показаниями переднего и заднего пунктов, что снижает влияние ошибок. Двукратное нивелирование обходится вдвое дороже однократного.

Поворачиваю на уровень.

При использовании оптического нивелира конечная точка может оказаться за пределами эффективного диапазона прибора. Между конечными точками могут быть препятствия или значительные перепады высот. В таких случаях требуются дополнительные установки. Термин "перестановка" используется, когда нивелир перемещают для выполнения съемки высоты с другой позиции. Чтобы выполнить "перестановку" нивелира, необходимо сначала снять отсчет и записать высоту точки, на которой установлен рельс. При этом рельс удерживается в точном том же положении, а нивелир перемещается в новую позицию, откуда рельс все еще виден. С новой позиции нивелира снимается отсчет, а разница высот используется для определения новой высоты оси прибора. Эта процедура повторяется до завершения серии измерений. Для получения достоверного измерения нивелир должен быть установлен горизонтально. Если горизонтальная перекрестная нить прибора находится ниже основания рельса, геодезист не сможет навести прибор на рельс и получить отсчет. Обычно рельс можно поднять на высоту до 25 футов, что позволяет установить нивелир значительно выше основания рельса.

Тригонометрическое выравнивание

Другой стандартный метод нивелирования в строительстве и геодезии называется тригонометрическим нивелированием, который предпочтителен при нивелировании к нескольким точкам от одной стационарной точки. Это выполняется с использованием тахеометра или любого другого инструмента для измерения вертикального или зенитного угла на рельс, а изменение высоты вычисляется с использованием тригонометрических функций (см. пример ниже). На больших расстояниях (обычно 1000 футов и более) необходимо учитывать кривизну Земли и рефракцию инструментальной волны в воздухе при проведении измерений (см. раздел ниже). Например: прибор в точке А, измеряющий зенитный угол < 88°15'22" (градусы, минуты, секунды дуги) и наклонное расстояние 305,50 футов, без учета высоты рельса или прибора, рассчитывается следующим образом:

cos(88°15'22") * 305.5 ≈ 9.30 футов,

что означает изменение высоты примерно на 9.30 футов между точками А и В. Следовательно, если точка А находится на высоте 1000 футов, то точка В будет находиться примерно на высоте 1009.30 футов, поскольку эталонная линия (0°) для зенитных углов направлена строго вверх по часовой стрелке, совершая полный оборот, и, следовательно, угол меньше 90 градусов (горизонтальный или плоский) указывает вверх, а не вниз (и наоборот для углов больше 90 градусов), что приводит к увеличению высоты.

Классические инструменты

Этот уровень был разработан английским инженером-строителем Уильямом Граваттом во время обследования маршрута планируемой железнодорожной линии из Лондона в Дувр. Более компактный и, следовательно, более прочный и удобный в транспортировке, обычно считается, что нивелирование с помощью нивелира Демпфи (dumpy level) менее точно, чем другие виды нивелирования, но это не соответствует действительности. Нивелирование с помощью нивелира Демпфи требует более коротких и, следовательно, более многочисленных прицеливаний, но этот недостаток компенсируется практикой уравнивания передних и задних визиров. Высокоточные нивелиры часто использовались для масштабных нивелировочных проектов, где требовалась максимальная точность. Они отличаются от других нивелиров наличием очень точной пузырьковой трубки и микрометрической регулировки для поднятия или опускания линии визирования, чтобы перекрестие можно было совместить с линией на шкале рейки без необходимости интерполяции.

Автоматический уровень

Автоматические уровни используют компенсатор, который обеспечивает горизонтальность линии визирования после предварительной грубой нивелировки прибора оператором (в пределах примерно 0,05 градуса). Компенсатор состоит из небольших призм, подвешенных на проволоках внутри корпуса уровня и соединенных вместе в форме маятника. Это позволяет пропускать только горизонтальные лучи света, даже если телескоп прибора не установлен строго вертикально. Геодезист быстро устанавливает прибор и не нуждается в его тщательной перенивелировке каждый раз при наведении на рейку в другой точке. Это также снижает влияние незначительной осадки штатива, учитывая фактическую величину смещения, а не увеличивая его за счет угла наклона на дальность визирования. Поскольку нивелировку прибора необходимо выполнять только один раз при установке, геодезист может быстро и легко снимать необходимое количество боковых углов между центрами. Для нивелировки прибора используются три нивелирующих винта, в отличие от четырех винтов, которые использовались в старых уровнях с жесткой связью.

Уровень лазера

Лазерные уровни проецируют луч, который виден и/или обнаруживается датчиком на нивелировочной рейке. Этот тип широко используется в строительных работах, но не для более точных геодезических работ. Преимущество заключается в том, что один человек может выполнять нивелирование самостоятельно, в то время как для других типов требуется один человек у прибора и один, держащий рейку. Датчик может быть установлен на землеройную технику для автоматической регулировки уклона.