ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ
7.1. Введение
Под топографической съёмкой понимают совокупность работ по созданию топографических карт или планов местности посредством измерений расстояний, высот, углов и т. п. с помощью различных инструментов (наземная съёмка), а также получение изображений земной поверхности с летательных аппаратов (аэрофотосъёмка, космическая съёмка).
Наземные съемки бывают:
· плановые,
· высотные
· комбинированные.
При Плановой (теодолитной) получается топографическая карта, но без учёта рельефа, т. е. только ситуация (совокупность объектов местности).
Топографическая (тахеометрическая) съёмка, особенно крупных масштабов, является наиболее востребованным видом геодезических работ. Потребности в ней могут возникнуть при изысканиях, обновлении топокарт, составлении генпланов, составления рабочих чертежей, для решения вертикальной планировки и проектировании ландшафтного дизайна. На основе топографической съёмки возможно построить цифровую модель местности.
При вертикальной съёмке определяют высоты точек местности, которые используются для построения рельефа.
Сочетание горизонтальной и вертикальной съёмок составляют топографическую съёмку, в результате которой изображаются рельеф и местные предметы.
Топографические работы сильно облегчились после появления специальных геодезических GPS и ГЛОНАСС приёмников, совмещённых с компьютером и синхронизированных между собой по радиоканалу.
7.2. Виды съемок
Применяют различные виды съёмок.
1. Теодолитная съёмка, в результате которой получают контурный или ситуационный план. При теодолитной съёмке измеряют горизонтальные углы, углы наклона и расстояния.
2. Нивелирование или вертикальная съёмка выполняется для получения высот точек. Различают тригонометрическое, геометрическое, барометрическое, гидростатическое и механическое нивелирование.
3. Тахеометрическая съёмка, в результате которой получают изображение рельефа и контуров предметов.
4. Мензульная съёмка, при выполнении которой топографический план (карта) строят непосредственно на местности. В этом заключается преимущество этой съёмки, так как имеется возможность уже в процессе съёмки сравнивать полученное изображение на плане (карте) с оригиналом.
5. Фототеодолитная съёмка выполняется фототеодолитом, который представляет собой сочетание теодолита и фотокамеры. Снимки являются основой для построения топографического плана.
6. Аэрофотосъёмка - наиболее распространённый способ съёмки, выполняемый фотографированием местности при помощи специального аэрофотоаппарата (АФА), установленного на самолёте. Аэрофотосъёмка увязывается с наземными геодезическими работами, при помощи которых осуществляется привязка аэроснимков в плане и по высоте.
Различают:
· контурную аэрофотосъёмку
· комбинированную аэрофотосъёмку
· стереоскопическую аэрофотосъёмку.
При контурной аэрофотосъёмке получают на плане контуры местности. При комбинированной контурный план получают в результате аэросъёмки, а рельеф - наземной съёмкой. Стереоскопическая аэрофотосъёмка позволяет получать в камеральных условиях топографический план по результатам обработки на специальных приборах.
7. Глазомерная съёмка относится к упрощённым видам съёмок и выполняется в поле при помощи визирной линейки и компаса.
Съёмочные работы сопровождаются появлением погрешностей, которые накапливаются по мере удаления съёмки от начальных точек. Появление погрешностей может привести к искажению изображаемой на карте местности.
В процессе съёмочных работ необходим своевременный контроль измерений и вычислений.
7.3. Геодезические сети
Геодезической сетью называют совокупность точек, закрепленных на местности, положение которых определено в заданной системе координат и высот.
Геодезические сети подразделяются на плановые и высотные. Они являются основой ведения всех геодезических работ. Обеспечивают постоянный и надежный контроль последующих работ, точность которых ниже точности геодезических сетей, одновременное ведение работ на различных участках, позволяют избегать разрывов и перекрытий в работах.
Построение геодезических сетей является реализацией основопологающего принципа геодезических работ от «общего к частному», т. е. от более точных к менее точным. Этот принцип применяется и к построению самих геодезических сетей.
Геодезические сети подразделяются на четыре вида.
1. Государственные геодезические сети. Они представляют собой главную геодезическую основу. Строятся на всей территории страны. Подразделяются по точности на 1, 2, 3, 4 классы.
Для планового построения применяются методы триангуляции, трилатерации, полигонометрии и их сочетаний.
Триангуляция состоит в построении рядов или сетей примыкающих друг к другу треугольников и в определении положения их вершин в избранной системе координат. В каждом треугольнике измеряют все три угла, а одну из его сторон определяют из вычислений путём последовательного решения предыдущих треугольников, начиная от того из них, в котором одна из его сторон получена из измерений. Если сторона треугольника получена из непосредственных измерений, то она называется базисной стороной триангуляции. В рядах или сетях триангуляции для контроля и повышения их точности измеряют большее число базисов или базисных сторон, чем это минимально необходимо.
Принято считать, что метод триангуляции изобрёл и впервые применил В. Снеллиус в 1615–17 гг. при прокладке ряда треугольников в Нидерландах для градусных измерений. Работы по применению метода триангуляции для топографических съёмок в дореволюционной России начались на рубеже 18–19 вв. К началу 20 в. метод триангуляции получил повсеместное распространение.
Триангуляция имеет большое научное и практическое значение. Она служит для:
· определения фигуры и размеров Земли методом градусных измерений;
· изучения горизонтальных движений земной коры;
· обоснования топографических съёмок в различных масштабах и целях;
· обоснования различных геодезических работ при изыскании, проектировании и строительстве крупных инженерных сооружений,
· при планировке и строительстве городов и т. д.
При построении триангуляции в государственной геодезической сети (ГГС) исходят из принципа перехода от общего к частному, от крупных треугольников к более мелким.
В связи с этим триангуляция подразделяется на классы, отличающиеся точностью измерений и последовательностью их построения.
В малых по территории странах триангуляция высшего класса строят в виде сплошных сетей треугольников. В государствах с большой территорией (Россия, Китай, Индия, США, Канада и др.) триангуляцию строят по некоторой схеме и программе.
Государственная триангуляция РФ делится на 4 класса (рис.).
Государственная триангуляция 1-го класса строится в виде рядов треугольников со сторонами 20–25 км, расположенных примерно вдоль меридианов и параллелей и образующих полигоны с периметром 800–1000 км. Углы треугольников в этих рядах измеряют высокоточными теодолитами, с погрешностью не более ± 0,7". В местах пересечения рядов триангуляции 1-го класса измеряют базисы при помощи мерных проволок, причём погрешность измерения базиса не превышает 1 : 1000000 доли его длины, а выходные стороны базисных сетей определяются с погрешностью около 1 : После изобретения высокоточных электрооптическихдальномеров стали измерять непосредственно базисные стороны с погрешностью не более 1 :
Пространства внутри полигонов триангуляции 1-го класса покрывают сплошными сетями треугольников 2-го класса со сторонами около 10–20 км, причём углы в них измеряют с той же точностью, как и в 1-ом классе. В сплошной сети триангуляции 2-го класса внутри полигона 1-го класса измеряется также базисная сторона с указанной выше точностью. На концах каждой базисной стороны 1-го и 2-го классов выполняют астрономические определения широты и долготы с погрешностью не более ± 0,4", а также азимута с погрешностью около ± 0,5". Кроме того, астрономические определения широты и долготы выполняют и на промежуточных пунктах рядов триангуляции 1-го класса через каждые примерно 100 км, а по некоторым особо выделенным рядам и значительно чаще.
На основе рядов и сетей триангуляции 1-го и 2-го классов определяют пункты триангуляции 3-го и 4-го классов, причём их густота зависит от масштаба топографической съёмки. Например, при масштабе съёмки 1 : 5000 один пункт триангуляции должен приходиться на каждые 20–30 км2. В сетях триангуляции 3-го и 4-го классов погрешности измерения углов не превышают соответственно 1,5" и 2,0".
Вершины треугольников триангуляции. обозначаются на местности деревянными или металлическими вышками высотой от 6 до 55 м в зависимости от условий местности. Пункты триангуляции в целях долговременной их сохранности на местности закрепляются закладкой в грунт особых устройств в виде металлических труб или бетонных монолитов с вделанными в них металлическими марками, фиксирующими положение точек, для которых даются координаты в соответствующих каталогах.
Координаты пунктов триангуляции определяют из математической обработки рядов или сетей. Построение триангуляции и её математическая обработка приводят к созданию на всей территории страны единой системы координат, позволяющей ставить топографо-геодезические работы в разных частях страны одновременно и независимо друг от друга. При этом обеспечивается соединение этих работ в одно целое и создание единой общегосударственной топографической карты страны в установленном масштабе.
Трилатерация – построение на местности цепи треугольников, как в триангуляции, но измеряются все длины сторон светодальномерами. Углы в треугольниках вычисляются по формулам тангенсов половинных углов.
Трилатерация представляет собой сплошную сеть примыкающих один к другому треугольников, в которых измеряют длины всех сторон; два пункта, как минимум, должны иметь известные координаты (рис.).
Рис. Схема сплошной сети трилатерации
Необходимо сначала вычислить углы первого треугольника по теореме косинусов, затем, используя эти углы и дирекционный угол стороны AB, вычислить дирекционные углы сторон A1 и B1 и решить прямую геодезическую задачу от пункта A на пункт 1 и от пункта B на пункт 1.
Таким образом, в каждом отдельном треугольнике "чистой" трилатерации нет избыточных измерений и нет возможности выполнить контроль измерений, уравнивание и оценку точности; на практике кроме сторон треугольников приходится измерять некоторые дополнительные элементы и строить сеть так, чтобы в ней возникали геометрические условия.
Уравнивание сплошных сетей трилатерации выполняется на ЭВМ по программам.
Полигонометрия – системы замкнутых или разомкнутых ходов, в которых углы поворота измеряются высокоточными теодолитами, а длины линий светодальномерами. Замкнутый ход называется полигоном. Отсюда и название полигонометрии – мерить по полигону.
Полигонометрия один из методов определения взаимного положения точек земной поверхности для построения опорной геодезической сети служащей основой топографических съёмок, планировки и строительства городов, перенесения проектов инженерных сооружений в натуру и т. п.
Положения пунктов в принятой системе координат определяют методом полигонометрии путём измерения на местности длин линий, последовательно соединяющих эти пункты и образующих полигонометрический ход, и горизонтальных углов между ними. Так, выбрав на местности точки 1, 2, 3, …, n, n + 1 измеряют длины s1, s2,..., sn. линий между ними и углы b2, b3,..., bn между этими линиями (см. рис.).
Как правило, начальную точку 1 полигонометрического хода совмещают с опорным пунктом Рн, который уже имеет известные координаты хн, ун и в котором известен также исходный дирекционный угол aн направления на какую-нибудь смежную точку Р'н.
В начальной точке полигонометрического хода, т. е. в пункте Рн, измеряют также примычный угол b1 между первой стороной хода и исходным направлением РнР’н.
Тогда дирекционный угол ai стороны i и координаты xi+1, yi+1 пункта i + 1 полигонометрического хода могут быть вычислены по формулам:
Для контроля и оценки точности измерений в полигонометрическом ходе его конечную точку n + 1 совмещают с опорным же пунктом Pk, координаты xk, yk которого известны и в котором известен также дирекционный угол ak направления на смежную точку P'k. Это даёт возможность вычислить т. н. угловую и координатные невязки в полигонометрическом ходе, зависящие от погрешностей измерения длин линий и углов и выражающиеся формулами:
fα = αn+1 — αk
fx = xn+1 — xk
fy = yn+1 — yk
Эти невязки устраняют путём исправления измеренных углов и длин сторон поправками, которые определяют из уравнивания по методу наименьших квадратов.
При значительных размерах территории, на которой должна быть создана опорная геодезическая сеть, прокладываются взаимно пересекающиеся полигонометрические ходы, образующие полигонометрическую сеть (рис.).
Пункты полигонометрии закрепляются на местности закладкой подземных бетонных монолитов или металлических труб с якорями и установкой наземных знаков в виде деревянных или металлических пирамид.
Углы в полигометрии измеряют теодолитами и электронными тахеометрами, причём объектами визирования, как правило, служат специальные марки (или отражатели), устанавливаемые на наблюдаемых пунктах. В случае использования теодолита длины сторон полигонометрических ходов и сетей измеряют стальными или инварными мерными лентами, а также светодальномерами.
Результаты измерений длин и углов в полигонометрии путём введения в них соответствующих поправок приводят в ту систему координат, в которой должны быть определены положения полигонометрических пунктов.
В тех случаях, когда условия местности неблагоприятны для непосредственного измерения линий, длины сторон полигонометрических ходов и сетей определяют косвенно параллактическим методом.
В этом случае для определения длины линии IK посредине её и перпендикулярно и симметрично к ней измеряют короткий базис АВ длиной b, а также на концах линии измеряют параллактические углы j1 и j2 (рис. 3), величины которых обычно бывают около 3–6°.
В зависимости от условий местности применяют и другие схемы косвенного измерения сторон полигонометрических ходов.
В зависимости от точности и очерёдности построения ходы и сети полигонометрии делятся на классы, которые должны соответствовать классам триангуляции. Различные классы государственные полигонометрические сети характеризуются следующими показателями точности:
Классы | Ошибка угла | Ошибка стороны |
1 | ± 0,4 | + 1: |
2 | ± 1,0 | ± 1: |
3 | ± 1,5 | + 1: |
4 | ± 2,0 | ± 1: |
Полигонометрические сети, создаваемые для инженерных и других целей, особенно для городских съёмок, могут иметь несколько иные показатели точности.
Время возникновения метода полигонометрии неизвестно. В прошлом он имел ограниченное применение из-за большого объёма линейных измерений, затруднённых к тому же условиями местности, громоздкости необходимого оборудования и невозможности контроля результатов работы до её полного завершения. Поэтому в прошлом метод полигонометрии применялся только для обоснования городских съёмок и для сгущения опорной геодезической сети, созданной методом триангуляции.
Высотные сети строятся геометрическим нивелированием I, II, III, IV классов точности. Применяются нивелиры Н-05 и рейки РН-05 для построения 1 и 2 классов точности. Для построения 3 и 4 классов точности используются Н-3 и рейки РН-3. Нивелирные ходы могут образовывать полигоны или быть разомкнутыми, как полигонометрические ходы. Точки нивелирных ходов закрепляются грунтовыми реперами.
2. Геодезические сети сгущения. Служат для сгущения государственной геодезической сети до нормативной плотности в отдельных районах, где выполняются геодезические работы. Методы построения плановых и высотных сетей такие, что и при построении государственных геодезических сетей.
На основе государственной геодезической сети строят сети сгущения, которые используются затем в качестве исходных при создании съемочного обоснования топографических съемок.
Плановые сети сгущения создаются, в основном теми же методами, что и государственная сеть, т. е. методами триангуляции, полигонометрии и трилатерации или их сочетаниями. Иногда строят линейно-угловые сети.
Сети сгущения подразделяют на 1 и 2 разряды. Триангуляция 1 и 2 разрядов развивается в виде сетей и отдельных пунктов. Каждый пункт должен быть определен из треугольника, в котором измерены все углы, или прямой засечкой с числом измеренных направлений не менее трех.
Минимальная величина угла в сплошной сети — 20°, в цепочке треугольников — 30°. Углы при засечке должны быть не менее 30° и не более 150°.
Пункты сети сгущения закрепляются на местности подземными центрами. На пунктах триангуляции 1 и 2 раз рядов устанавливаются наружные знаки — пирамиды или вехи. Веха ставится рядом с центром с северной стороны.
Высотная сеть сгущения создается в основном проложением ходов технического нивелирования между пунктами государственного нивелирования.
3. Специальные геодезические сети. Развиваются при строительстве сооружений, предъявляющих к геодезическим работам специальные требования, как правило, повышенной точности. Например. При строительстве мостов через большие водные преграды, в тоннелестроении, при строительстве АЭС и т. п. Методы построения аналогичны изложенным в п.1.
4. Съемочные геодезические сети (рабочее обоснование). Они являются непосредственной основой съемки контуров и рельефа при производстве топографических съемок, при выполнении инженерно-геодезических работ на строительной площадке. Развиваются они на основе геодезических сетей сгущения. В ряде случаев, нормируемых СНиПами, могут строиться автономно, не привязываясь к пунктам государственных геодезических сетей. Например, топографическая съемка строительных участков, не превышающих 1 кв. км, могут производиться в частной системе координат и высот. Инженерно-геодезическое обеспечение строительных работ, наблюдений за деформациями инженерных сооружений может опираться на рабочее обоснование, построенное на строительной площадке автономно.
Плановые съемочные сети (рабочее обоснование) преимущественно строятся методом теодолитных ходов. Теодолитные ходы строятся, как и полигонометрические, либо в виде замкнутых ходов (полигонов), либо в виде разомкнутых ходов, рис.39. Но углы измеряются техническими теодолитами Т30, Т15 (можно Т5) с точностью 0.5' или 1', а длины линий – мерными лентами, рулетками.
Высотное съемочное обоснование строится прокладкой нивелирных ходов (замкнутых или разомкнутых) 1У класса или техническим нивелированием.
Математическая обработка всех видов плановых геодезических сетей ведется на основе решения плановых задач. Вычисление дирекционных углов последующих сторон по измеренным (или вычисленным в трилатерации) горизонтальным углам. По дирекционным углам и измеренным длинам линий (или вычисленным в триангуляции) последовательное вычисление координат точек (последовательное применение прямой геодезической задачи). При привязке новых построений к существующим возникает задача вычисления дирекционного угла и длины линии по заданным координатам начала и конца линии (обратная геодезическая задача). Решение задач ведется по уравненным горизонтальным углам и длинам линий.
Высотное обоснование развивается прокладкой нивелирных ходов методом последовательного нивелирования. Отметки точек нивелирных ходов вычисляются по уравненным превышениям на станциях последовательной передачей отметок по ходу.
