KLASYFIKACJA METOD NIWELACJI

Niwelacja, pomiary wysokościowe to geodezyjne wyznaczanie różnicy wysokości pomiędzy punktami terenowymi. Do wykonania pomiarów wysokościowych niezbędne są niwelator lub teodolit oraz łata niwelacyjna. Niwelacje wykonują dwie osoby z których jedna odczytuje wyniki z urządzenia a druga ustawia łatę w wybranych miejscach. Wyniki pomiarów podawane są w odniesieniu do repera wysokościowego. Z jednego ustawienia niwelatora można wykonać wiele pomiarów. Każde przestawienie urządzenia powoduje konieczność powtórzenia odczytu z repera. W czasie dokonywania odczytu należy zachować ostrożność aby nie poruszyć niwelatora.

W pracach geodezyjnych stosuje się obecnie najczęściej pięć niżej wymienionych zasadniczych metod pomiarów niwelacyjnych:

1. niwelacja geometryczna precyzyjna nazywana jest zwykle krótko niwelacją precyzyjną. Pomiary niwelacji precyzyjnej wchodzą w zakres geodezji wyższej. Wysokości wyznaczone na podstawie niwelacji precyzyjne podlegają odległości od geoidy, a poszczególne punkty tej niwelacji, utrwalone i zabezpieczone w terenie, stanowią osnowę niwelacyjną państwową, na której opieramy niwelację techniczną. Poza tym niwelacja precyzyjna dostarcza podstawowych materiałów do prac naukowo- badawczych dotyczących kształtu powierzchni Ziemi.

2. niwelacja geometryczna techniczna lub zwykła nazywana jest najczęściej niwelacją techniczną. Polega ona na wyznaczaniu różnic wysokości punktów na podstawie bezpośredniego pomiaru położenia poziomej osi celowej na pionowo ustawionych łatach niwelacyjnych z podziałem centymetrowym. Niwelacja ta dzieli się na dwa rodzaje pomiarów: niwelację techniczną reperów, której zadaniem jest wyznaczanie wysokości punktów stałych, stanowiących osnowę dla szczegółowych pomiarów wysokościowych oraz do realizacji projektów budowlanych i inżynieryjnych; oraz niwelację topograficzną , której celem jest wyznaczanie formy rzeźby i przekrojów terenu; możemy tu wyodrębnić następujące działy zagadnień: niwelacja podłużna (służy do wyznaczania przekrojów podłużnych, obrazujących pionowe ukształtowanie terenu wzdłuż linii prostej lub łamanej), poprzeczna (służy do wyznaczania przekrojów poprzecznych, obrazujących pionowe ukształtowanie pasa terenu po obu stronach przekroju podłużnego) i terenowa (służy do wyznaczania rzeźby terenu na niewielkim obszarze).

3. niwelacja trygonometryczna polega na określaniu różnic wysokości punktów zarówno bliskich, jak i odległych na podstawie pomierzonego kąta pionowego i odległości. Różnice wysokości na danym stanowisku instrumentu mogą tu być duże w przeciwieństwie do niwelacji geometrycznej, gdzie różnice wysokości są małe- w zasięgu poziomu osi celowej niwelatora.

4. tachimetria ma podobne założenia jak niwelacja trygonometryczna, z tą różnicą, że stosuje się tu wzory uproszczone i optyczny pomiar odległości, co ogranicza zastosowanie metody do punktów tylko dostępnych i położonych w zasięgu dalmierza.

5. niwelacja barometryczna (fizyczna) opiera się na wykorzystaniu zależności różnicy ciśnień powietrza w poszczególnych punktach od różnicy ich wysokości.

6. niwelacja hydrostatyczna oparta jest na zasadzie naczyń połączonych. Do wykonywania pomiarów różnic wysokości stosuje się tu niwelatory hydrostatyczne różnych konstrukcji.

7. niwelacja GPS (Global Positioning System)- przy pomiarach GPS otrzymujemy trzy współrzędne punktu w układzie globalnym WGS'84. Pozwala to na wyliczenie wysokości danego punktu pod warunkiem, że znana jest odległość elipsoidy od geoidy. Metoda ta opiera się na 24 satelitach, krążących po 6 równomiernie rozmieszczonych, prawie kołowych orbitach. Otrzymane współrzędne punktu w układzie X, Y, Z należy przenieść do układu geodezyjnego.

8. metoda echosond jest wykorzystywana do badania dna basenów wodnych o głębokości przekraczającej 5 metrów.

NIWELACJA TECHNICZNA

Mając instrument zrektyfikowany możemy przystąpić do niwelacji. Na podstawie pomierzonych różnic wysokości obliczamy następne wysokości poszczególnych punktów nad poziomem morza lub nad dowolnie przyjętym poziomem odniesienia, jeżeli w pobliżu nie ma reperów o znanych wysokościach bezwzględnych, do których można by niwelację nawiązać. Wysokości punktów nazywamy również rzędnymi, cechami lub kotami.

Różnice wysokości punktów otrzymujemy z odczytów wysokości poziomej osi celowej niwelatora na łatach, ustawionych pionowo na danych punktach. Oś celową w niwelatorze libelowym ustawiamy poziomo za pomocą libeli niwelacyjnej. Dzięki dużemu powiększeniu lunety odczyty na łacie o podziale centymetrowym możemy wykonywać z dokładnością do 1 mm.

Poziom, wyznaczony za pomocą osi celowej i libeli niwelatora, nazywamy poziomem geometrycznym, który z powodu krzywizny powierzchni Ziemi różni się znacznie od właściwego poziomu geodezyjnego już na stosunkowo niewielkich odległościach. W praktyce musimy jednak stosować poziom geometryczny, ponieważ nie posiadamy instrumentów do wyznaczania poziomu geodezyjnego.

Najprostszym zagadnieniem z niwelacji jest wyznaczenie różnicy wysokości dwóch punktów A i B, położonych w takiej odległości, aby pomiar można było wykonać z jednego stanowiska. Różnica wysokości punktów A i B (rys. 1) wynosi

h_AB =H_B - H_A = O_w - O_p

gdzie H_A i H_B - są to wysokości punktów A i B nad poziomem morza lub nad przyjętym dowolnym poziomem odniesienia, O_w i O_p - odczyty poziomej osi celowej H_C na łatach, ustawionych w punktach A i B (O_w - odczyt wstecz, O_p - odczyt w przód).

Jest to tzw. Niwelacja ze środka AS = SB = l < 80 m. Niwelator ustawiony został w środku pomiędzy łatami (punktami A i B) w celu wyeliminowania niektórych błędów, powstałych na skutek niedokładnej rektyfikacji niwelatora (nierównoległości osi celowej do osi liblei) oraz błędów, wynikających z nieuwzględnienia krzywizny Ziemi i refrakcji. Odczyty O_w i O_p są wówczas obarczone jednakowymi błędami, które wzajemnie znoszą się przy obliczeniu różnicy (O_w - O_p) wedłóg powyższego wzoru.

Różnice wysokości punktów A i B można również wyznaczyć ustawiając niwelator na jednym z tych punktów, np. A lub przed punktem A na zewnątrz odcinka AB (rys. 2).

W pierwszym przypadku mierzymy taśmą lub łatą wysokość O_pA osi celowej nad punktem A (tzw. wysokość instrumentu), a w drugim - odczytujemy na łacie w punkcie A odczyt O_pA. Następnie odczytujemy na łacie w punkcie B odczyt O_pB. Na podstawie tych wartości otrzymujemy:

h_B = H_B - H_A = O_pA - O_pB

Jest to tzw. niwelacja w przód ( z końca), która daje wyniki obarczone błędami wynikającymi z nieuwzględnienia kulistości Ziemi i refrakcji oraz błędem nierówności osi celowej do osi libeli. Ponadto, jeżeli niwelator ustawiamy w punkcie A, to również pomiar wysokości osi celowej O_pA nad punktem A jest zwykle obarczony większym błędem od odczytu wstecz O_w w niwelacji ze środka. Wreszcie wydajność pomiaru metodą w przód jest mniejsza niż metodą ze środka, ponieważ zasięg niwelatora z jednego stanowiska wynosi tylko AB < 80 m, podczas gdy przy metodzie ze środka odcinek AB może dochodzić do 160 m.

Z omówionego porównania wynika zdecydowana wyższość metody ze środka nad metodą w przód. Stąd w praktyce stosuje się niemal zawsze metodę ze środka. Niwelacja w przód może być stosowana przy wyznaczaniu wysokości pojedynczych punktów, do których nie nawiązujemy dalszych pomiarów oraz w pewnych przypadkach z konieczności przy przejściu przez rzeki i wąwozy.

POMIAR RZEŹBY TERENU

Pomiar rzeźby terenu obejmuje niwelację przekrojów wzdłuż określonych linii lub niwelację powierzchni danego terenu. Przekroje wykonuje się dla ulic, dróg i innych tras inżynierskich. Przekroje mogą być podłużne lub poprzeczne. Są to przecięcia terenu szeregiem płaszczyzn pionowych, których ślady tworzą żądaną linię przekroju w terenie. Przekrój podłużny wykonujemy wzdłuż osi trasy, przekroje poprzeczne- prostopadle do niej.

TERENOWA NIEWLACJA POWIERZCHNIOWA

Zadaniem niwelacji powierzchniowej jest wyznaczenie w terenie sieci utrwalonych punktów o znanych wysokościach oraz sporządzenie map sytuacyjno- wysokościowych jako podstawy do opracowania i realizacji projektów technicznych. Punktami o znanych wysokościach, oznaczonymi w terenie, są tzw. repery robocze oraz utrwalone stanowiska niwelatorów i łat. Wysokościowe punkty szczegółowe nazywane są zwykle pikietami.

W zależności od ukształtowania pionowego terenu stosuje się różne metody niwelacji powierzchniowej.

1. metoda siatkowa- jej istotą jest wytyczenie w terenie regularnej siatki kwadratów lub prostokątów i określenie wysokości punktów będących ich wierzchołkami oraz charakterystycznych punktów wewnątrz oczek

2. metoda przekrojów podłużnych i poprzecznych. Zakładamy w terenie nawiązane do osnowy geodezyjnej ciągi sytuacyjno- wysokościowe, tzw. główne, o długości maksimum 3 km, podrzędne ( nawiązanie do głównych) o długości 2 km, wiszące ( jednostronnie nawiązane) o długości 300 m, a następnie wyznaczamy przekroje poprzeczne o długości najwyższej 100 m, prostopadłe do boków ciągów.

3. niwelacja metoda punktów rozproszonych- polega na niwelowaniu punktów charakterystycznych terenu z jednoczesnym wyznaczaniem szczegółów metodą biegunową. Aby korzystać z tej metody musi być założona osnowa pomiarowa.

WSKAZÓWKI PRAKTYCZNE DO POMIARÓW NIWELACYJNYCH

Aby otrzymać wyniki niwelacji w granicach wymaganej dokładności, należy starać się wyeliminować lub ograniczyć do minimum wpływy wszelkich błędów na pomiary. Błędy występujące podczas niwelacji można podzielić na dwie grupy: przypadkowe i systematyczne.

Błędy przypadkowe: niedokładne spoziomowanie libeli, błędy odczytów na łacie.

Błędy systematyczne: osiadanie łaty i niwelatora podczas pomiarów, wpływ krzywizny Ziemi, wpływ refrakcji, nierównoległość osi libeli niwelacyjnej i osi celowej, błędy podziału łaty, pochylenie łaty, fizjologiczne błędy oczu obserwatora.

W celu wyeliminowania lub ograniczenia wpływu powyższych błędów na wyniki niwelacji należy pamiętać o ścisłym przestrzeganiu w czasie pomiaru następujących wskazówek technicznych i praktycznych.

Niwelator dokładnie zrektyfikować, usuwać paralaksę obrazu łaty w lunecie, ustawić oś instrumentu w pionie w przybliżeniu libelą okrągłą, gdy jest śruba elewacyjna, a dokładnie libelą niwelacyjną, gdy nie ma śruby elewacyjnej. Ustawiać dokładnie oś libeli niwelacyjnej w poziomie śrubą elewacyjną lub, gdy jej nie ma, poprawić małe odchyłki śrubą nastawniczą po wycelowaniu. Zwracać uwagę żeby odstępy łat od instrumentu były sobie równe, a jeżeli to jest niemożliwe, to aby przynajmniej suma odległości łat w przód od instrumentu była róna sumie odległości łat wstecz. Czas pomiędzy odczytem łaty wstecz i w przód powinien być jak najkrótszy. Łaty powinny być ustawione na podstawkach (żabkach) pionowo za pomocą libeli okrągłej lub pionu. Nie należy niwelować przy silnym wietrze i w godzinach dużej wibracji powietrza. Konieczne jest osłaniane niwelatora libleowego od słońca parasolem.

Niwelator - instrument geodezyjny umożliwiający przeprowadzanie pomiarów różnicy wysokości (niwelacji) pomiędzy punktami terenowymi. Po zgrubnym spoziomowaniu niwelatora (czyli doprowadzeniu jego osi głównej do położenia pionowego) w niwelatorach automatycznych oś celowa lunety przyjmuje położenie poziome. Przy wykorzystaniu łat geodezyjnych, ustawionych pionowo na punktach terenowych, wykonywane są odczyty. Różnica odczytów z łat geodezyjnych określa różnicę wysokości między punktami terenowymi.

Niwelator składa się ze spodarki ze śrubami poziomymi oraz alidady z luneta, libelą i śrubą elewacyjną. Częściami dodatkowymi są limbus, urządzenia odczytowe, libela pudełkowa, śruba zaciskowa, śruba mikrometryczna - leniwa i śruby rektyfikacyjne. Alidada niwelatora może się obracać względem spodarki, a do jej unieruchomienia służy śruba zaciskowa. Do drobnych ruchów w płaszczyźnie służy leniwka. Niwelatory dzielimy na budowlane, techniczne i precyzyjne.

W niwelatorze muszą być spełnione następujące warunki;

1) Oś libeli głównej (podłużnej) musi być prostopadła do osi obrotu instrumentu.

2) Płaszczyzna główna libeli okrągłej powinna być prostopadła do osi obrotu instrumentu.

3) Kreska pozioma krzyża nitek powinna być prostopadła do osi obrotu instrumentu.

4) Oś celowa lunety powinna być równoległa do osi libeli podłużnej.

Teodolit - instrument geodezyjny przeznaczony do pomiaru kątów poziomych oraz kątów pionowych. Wyróżnia się teodolity optyczne oraz elektroniczne. W teodolitach optycznych zastosowane jest szklane koło poziome (limbus) i koło pionowe z naniesionym podziałem kątowym, z którego obserwator wykonuje odczyt kierunku. W teodolitach elektronicznych odczyt kierunku jest wykonywany automatycznie.

Do podstawowych elementów konstrukcyjnych teodolitu należą; statyw, spodarka, limbus, alidada, luneta, 2 dzwigary, 2koła, pionownik optyczny.

W teodolicie muszą być spełnione następujące warunki;

1. Os libeli podłużnej powinna być prostopadła do osi obrotu instrumentu - warunek libeli.

2. Os celowa lunety CC powinna być prostopadła do osi obrotu lunety HH - warunek osi celowej (niespełniony to błąd kolimacji).

3. Oś obrotu lunety HH powinna być prostopadła do osi obrotu instrumentu VV (niespełniony to błąd kolimacji).

4. Oś celowa lunety CC powinna przecinać się z osią obrotu instrumentu - warunek centryczności osi celowej.

---