Тема 10. Державна геодезична і нівелірна мережі

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

 

1. Поняття про геодезичні мережі.

2. Державна геодезична мережа України.

3. Державна нівелірна мережа України.

 

 

Література

1. Артамонов Б.Б., Штангрет В.П. Топографія з основами картографії: Навчальний посібник. – Львів: Новий Світ-2000, 2006. –248 с.

2. Грюнберг Г.Ю. Картография с основами топографии. М: – Просвещение, 1991, 367 с.

3. Картография с основами топографии, Часть II. Под. ред. А.В. Гедымина, М: - «Просвещение», 1973, 247 с.

4. Барановський В.А. Екологічна географія і екологічна картографія. – Національна академія наук України. Рада по вивченню продуктивних сил України. Київ: - Фітосоціоцентр. 2001, 250 с.

5. Шмаль С.Г. Військова топографія: Підруч. для слухачів і курсантів вищ. військ. навч. закл. – К.: Вид. ПАЛИВОДА А.В., 2003. – 280 с.

 

1. Поняття про геодезичні мережі

 

У процесі вивчення розмірів і фігури Землі, на її поверхні закріплюються точки (пункти), положення яких обчислене в загальній системі координат. Сукупність таких пунктів складає геодезичну мережу.

Геодезична мережа створюється, насамперед, на території окремих держав, де вона є основою (опорою) для проведення топографічних зйомок. Тому такі мережі називаються, також, опорними, а пункти у її складі – опорними пунктами.

Розрізняють:

- планові геодезичні мережі (якщо для складових їхніх пунктів визначене планове положення на земний поверхні);

- висотні геодезичні мережі (якщо визначені значення висоти пунктів над вихідною поверхнею);

- планово-висотні геодезичні мережі (пункти мережі мають як планові, так і висотні координати).

Сучасний розвиток науки й техніки сприяє впровадженню нових методів визначення координат геодезичних пунктів, дозволяє зв’язувати в одну систему геодезичні мережі різних материків. Тим самим усуваються розходження в системах координат різних країн, і відпадає необхідність переобчислення координат пунктів з однієї системи в іншу при роботах планетарного масштабу.

 

2. Державна геодезична мережа України

 

На місцевості часто доводиться бачити дерев’яні чи металеві споруди – чотирикутні піраміди, розташовані на підчищеннях. Це опорні геодезичні пункти єдиної Державної геодезичної мережі України, названі так тому, що становлять опору (вихідний початок) топографічних знімань і геодезичних вимірювань. Ці пункти, закріплені на місцевості й відмічені як довгострокові будови.

Опорні пункти геодезичної мережі бувають трьох видів:

- планові – з визначеними точними координатами в системі географічних координат (j, l) і в системі зональних прямокутних координат Гауса (х, у);

- висотні (репери і марки) – з точними відмітками (висотами, визначеними відносно нуля Кронштадтського футштока);

- висотно-планові – з точними координатами і відмітками. Ці пункти (точки) розташовують (будують) на місцевості за заздалегідь складеним планом на відстані 5-10-25 км один від одного, залежно, від класу мережі і закритості місцевості (лісова, степова, тощо).

Державна опорна геодезична мережа створюється методами тріангуляції, полігонометрії, трилатерації I, II, III і IV класів, які різняться між собою точністю вимірювання кутів і ліній, довжиною сторін і порядком їх розвитку.

 

Тріангуляція

Тріангуляція (від лат. – трикутник) - це основний метод створення геодезичних пунктів за допомогою системи побудованих на земній поверхні трикутників із сторонами 5-10-20-25 км, у яких визначені кути та деякі із сторін. Вершини трикутників представлені геодезичними пунктами, які закріплені підземними і наземними довгостроковими знаками і є опорними пунктами (точками) геодезичної мережі.

Для обчислення координат пунктів тріангуляції (вершин трикутників), вимірюють з великою точністю одну сторону (базис) і азимут якого-небудь трикутника та всі кути (рис. 10.1). Довжини сторін останніх трикутників, тобто відстань між опорними пунктами, визначають за тригонометричними формулами. Такий метод (він називається геодезичним) дає змогу встановити координати опорного пункту з точністю до ±0,1 м., тоді як астрономічним методом координати точки можна визначити з точністю до ±10...15 м.

 

Рис. 10.1 - Ланка тріангуляції

 

Тріангуляція буває чотирьох класів. Полігони I класу заповнюють мережею тріангуляції II, III і IV класів, унаслідок чого вся площа полігону I класу вкривається суцільною сіткою тріангуляції.

Для тріангуляційної мережі кожного з класів характерна певна довжина сторін трикутників і ступінь (клас) точності вимірювань кутів і відстаней.

Тріангуляційну мережу першого класу будують у вигляді системи полігонів периметром 800...1000 км. Полігони складаються з ланок-ланцюжків трикутників (рис. 10.2.) довжиною до 200 км уздовж меридіанів і паралелей. Форма трикутників повинна бути близької до рівностороннього з довжиною сторони не менш 20 км. Чотирикутник abcd утворить базисну мережу - геодезичну будову, у якій виміряний базис cd і визначені всі кути при вершинах. По кутам і базису в кожному чотирикутнику визначаються довжини вихідних (або базисних) сторін (наприклад, ab). Вони необхідні для визначення всіх сторін ланцюжка трикутників з контролем. На кінцях базисних сторін розташовують пункти Лапласа, у яких астрономічним шляхом визначають широту, довготу й азимут.

Трикутники другого класу (на рис. 10.2, позначені кружками) заповнюють суцільною сіткою полігони першого класу. Довжини сторін трикутників другого класу 7...20 км.

Державні геодезичні мережі третього і четвертого класів (вершини позначені відповідно кружками з крапкою і зірочками (див. рис. 10.2), розташовують усередині трикутників другого класу.

Щоб видно було пункти тріангуляції, вершини трикутників закріплюють на місцевості геодезичними (тріангуляційними) знаками, які складаються з двох основних частин: підземної – центра пункту; зовнішньої – геодезичного знака, встановленого над центром пункту.

 

Рис. 10.2 - Схема послідовності розвитку державної геодезичної мережі

 

Центри геодезичних пунктів (знаків) закладають у землю нижче від шару промерзання ґрунту. Це забезпечує незмінне положення самого геодезичного пункту, збереження його та нерухомість точок (центрів марок). Типи центрів, які закладають у землю, залежать від фізико-географічних умов району, складу ґрунту та глибини його промерзання. Їх виготовлюють з бетону чи металевих труб, заповнених бетонним розчином.

У бетонні блоки чи труби закладають спеціальні чавунні марки з напівсферичною головкою. У їх центрі міститься отвір або взаємно перпендикулярні рисочки, точка перетину яких і є точкою, до якої зводять (прив’язують) усі кутові й лінійні вимірювання. Координати її визначають.

У конструкцію центра закладають дві марки: одна в основу, друга у верхній блок. Вісі марок центра мають знаходитися на одній прямовисній лінії.

Споруджений центр засипають землею. Щоб швидко знайти марку, зверху ставлять розпізнавальний стовп загальною довжиною 70 см так, щоб він піднімався над землею на 10 см.

Для взаємної видимості пунктів тріангуляції над центром споруджують геодезичні знаки трьох типів:

- прості піраміди висотою 10 м з візуальним циліндром зверху, на який наводять топографічний прилад;

- прості сигнали висотою до 15 м, які складаються з двох пірамід. Зверху на зовнішній піраміді є візуальний циліндр і майданчик для спостереження. Внутрішня піраміда служить штативом і зверху закінчується столиком, на який встановлюють топографічний прилад;

- складні сигнали висотою до 50 м для збільшення дальності видимості інших геодезичних знаків.

Загальний устрій геодезичного знаку та зображення пунктів геодезичної мережі на карті подано на рис. 10.3

 

 

Рис. 10.3 - (а) геодезичний знак (піраміда); (б) зображення пунктів на картах

 

На закритій місцевості (залісеній, гористій) застосовують метод полігонометрії, тому що спорудження надто високих тріангуляційних знаків дорого коштує і технічно важке.

 

 

Полігонометрія

Полігонометрія – система прокладених на місцевості ходів у вигляді ламаних ліній, точки зламу яких закріплені і є опорними пунктами Державної геодезичної мережі.

Системою полігонометричних ходів створюються полігони (багатокутники). У кожному полігоні вимірюють довжини сторін і кути між ними. Координати опорних пунктів (вершини полігонів) обчислюють за виміряними величинами. На місцевості пункти позначають знаками висотою 4...6 м і підземними центрами.

У великих містах знаки встановлюють на дахах будинків. Для згущення точок знімальної мережі, полігонометричні ходи розбивають уздовж вулиць. Тому в містах, на перехрестях доріг, можна побачити невеликі металеві круги. Це кришки підземних полігонометричних знаків. На тротуарах зустрічаються також головки металевих стержнів, що виступають над поверхнею на 0,5...1 см. Так виглядають центри знімальних ходів, прокладених від полігонометричних знаків для знімання будинків, дворів та провулків.

У 50...60-х роках 20 сторіччя було розроблено нові способи високоточних визначень відстаней електронно-оптичними далекомірами, геодезичними радіодалекомірами і телурометрами, завдяки чому процес вимірювання відстаней значно спростився. Виходячи з цього, і опорні геодезичні мережі почали створювати новим методом – трилатерацією (від грецьк. trias –триєдність і лат. latus – сторона).

 

Трилатерація

Трилатерація - метод побудови опорної геодезичної мережі з трикутників за схемою, яка подібна до тріангуляції, але відрізняється від неї тим, що в трикутниках вимірюють геодезичними радіодалекомірами всі сторони і за тригонометричними формулами визначають координати вершин трикутників, тобто координати пунктів Держаної геодезичної мережі.

Вибір методу побудови мережі визначається економічною і технічною доцільністю.

Державна геодезична мережа першого і другого класів, якою на сьогодні ми користуємося, створена методами тріангуляції і полігонометрії і призначається для наукових досліджень, пов’язаних з визначенням фігури і розмірів Землі як планети, для поширення єдиної системи координат на всю територію країни. Вона є основою для розвитку мережі нижчих класів.

 

Геодезичні мережі згущення

Геодезичні мережі згущення створюють при недостатній для наступних робіт щільності пунктів державної мережі. По точності і послідовності розвитку вони поділяються на перший та другий розряди і створюються методами полігонометрії і тріангуляції.

Знімальні геодезичні мережі заповнюють мережу згущення і будуються у виді теодолітних ходів, різних зарубок і нескладних тріангуляційних побудов.

На ділянках площею до 1 км2 і при відсутності даних про державні геодезичні мережі та мережі згущення, знімальні мережі можуть створюватися як самостійні (місцеві) геодезичні мережі.

 

3. Державна нівелірна мережа України

 

Визначення висоти точок місцевості зводиться до встановлення перевищень ∆h між вихідною (початковою) точкою і тими, які визначаються. Сукупність вимірювальних дій щодо визначення висотних характеристик елементів досліджуваної місцевості називається нівелюванням.

Розрізняють декілька основних методів нівелювання:

- геометричне;

- тригонометричне;

- фізичне (його різновидами є барометричне, гідростатичне, механічне й аерорадіонівелювання).

Державна нівелірна мережа України – це головна висотна основа топографічного знімання і геодезичних вимірювань для потреб економіки і оборони країни.

Державна нівелірна мережа створюється методом геометричного нівелювання з початком відліку від нуля Кронштадтського футштока. Вона включає нівелірні мережі I, II, III і IV класів і технічне нівелювання.

Нівелірна мережа I і II класів - головна висотна основа, що створює єдину систему висот на всій території України. Вона призначена для рішення таких задач, як вивчення сучасних вертикальних рухів земної кори і рухів, обумовлених сейсмічною діяльністю Землі, визначення різниці висот морів і океанів; вивчення фігури фізичної поверхні Землі в результаті визначення відстаней від рівневих поверхонь, що проходять через точки фізичної поверхні Землі, до обраної поверхні відносності - еліпсоїда. Лінії нівелювання I і II класів прокладають уздовж узбереж морів і океанів, великих озер і рік, шосейних доріг державного значення і залізниць.

Нівелірна мережа I класу будується у вигляді полігонів з периметром 3000...4000 км, зв’язаних між собою у загальну систему. Точність нівелювання I класу складає ±0,5 мм на 1 км ходу. Нівелювання повторюють по тим же лініям через кожні 25 років.

Нівелірна мережа II класу складається з ходів і полігонів, що спираються на репери нівелювання I класу. Периметри полігонів досягають 500...600 км. Припустиме не ув’язування в ходах нівелювання II класу визначаються за формулою

          fh = 5 мм ·        (10.1)

де L - довжина ходу або периметр полігона (у км).

Нівелірні мережі III і IV класів призначені для забезпечення висотним обґрунтуванням топографічних зйомок усіх масштабів і рішення низки інженерних задач. Ці мережі прокладають усередині полігонів вищих класів.Згущення мереж роблять за принципом переходу від загального до часткового: перший клас згущають другим, другий - третім, а третій - четвертим.

Лінії нівелювання всіх класів закріплюють на місцевості постійними знаками не рідше ніж через 5 км. Постійні нівелірні знаки бувають декількох типів: ґрунтовий репер, скельний репер, стінний репер (стінна марка). На вузлових пунктах ліній нівелювання I і II класів, а також поблизу рівневих станцій і основних водомірних постів закладають фундаментальні репери. У лінії II, III і IV класів включають тимчасові знаки, що є висотною основою при топографічній зйомці. Кожен нівелірний знак має свій індивідуальний номер, що не повторюється на даній лінії.

 

Стисла характеристика нівелірних знаків

Кронштадтський футшток - це мідна пластина у бронзовій рамі, закріплена до стояка моста через обвідний канал у Кронштадті, з написом «Вихідний пункт нівелювальної мережі». Нуль Кронштадтського футштока (точніше горизонтальна риска на мідній пластинці, що збігається із середнім багаторічним рівнем Балтійського моря у Кронштадті), прийнятий в СРСР, а зараз і в Україні за початок відліку абсолютної висоти місцевості.

Фундаментальні репери I і II типів складаються з чотиригранної бетонної зрізаної піраміди, сполученої з якорем. Установлюють їх на нівелірних лініях через 50...80 км у вузлових точках. Марки закладають у верхню частину пілона і в якір збоку. Зверху репер засипають землею.

Ґрунтові репери розміщують через 5...7 км на нівелірних лініях усіх класів.

Стінні репери й марки вмонтовують у фундаменти і стіни великих кам'яних будинків, водонапірних башт тощо у населених пунктах та на залізничних станціях.

Нівелірні мережі III класу будують у вигляді окремих ходів і систем, що утворюють 6...9 полігонів усередині полігона II класу. Граничний периметр – 150...200 км, а в районах топографічних зйомок масштабу 1:5000 і крупніше - 60 км. Граничні не ув’язання в ходах і полігонах визначають за формулою

          fh = 10 мм ·        (10.2)

Нівелювання IV класу виконують у вигляді ходів і полігонів, периметр яких не перевищує 50 км. Припустиме не ув’язання ходу або полігона не повинно перевищувати по абсолютній величині:

           fh = 20 мм ·       (10.3)

Подальше згущення нівелірної мережі I, II, III і IV класів виконують геометричним (технічним) або тригонометричним нівелюванням. Технічне нівелювання виконують у вигляді окремих ходів або мереж, які повинні спиратися на вихідні репери і марки. Граничне не в’язання ходу або полігона визначають за формулою

         fh = 50 мм ·       (10.4)

 

У процесі технічного нівелювання попутно нівелюють окремі стійкі по висоті предмети місцевості: голівки рейок, кришки колодязів, а також відмітки дна балок і ярів, урізи води. Усі ці точки включають у хід в якості проміжних.

 

 

Курс «Топографія з основами картографії»