Исследования влияния рефракции на измерения цифровым нивелиром

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 27 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
МЕЖДУНАРОДНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ
КАЗАХСКАЯ ГОЛОВНАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

УДК

Кожабеков Кайрат Хакимбекович
Исследования влияния рефракции на измерения цифровым нивелиром

по специальности 7M07371 - Геодезия
диссертация на соискание академической степени магистра 1 курса

Научный руководитель: Кузнецова И.А.
к.т.н., ассоц. профессор ФСТИМ

Алматы, 2020
СОДЕРЖАНИЕ
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ ... ... ... ... ...
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
1Цифровые нивелиры: устройство, исследования, проверки ... ... ..
1.1. Краткий обзор о цифровом нивелире ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.2. Особенности проверки главного условия цифровых нивелиров ... ...
1.3. Принцип действия и устройство цифровых нивелиров ... ... ... ... ...
1.3.1. Общие положения ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.4. Обзор и описание ранее проделанной работы Маркович К.И ... ... ...
1.5. Обоснование для проведения работы по данной теме ... ... ... ... ...
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ... ... ... ... ...
ПРИЛОЖЕНИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
3
3
4
6
7
7
8
8
23
27
29

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
- Агентство Республики Казахстан по управлению земельными ресурсами геодезические, картографические инструкции, нормы и правила
Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов ГКИНП (ГНТА) - 03 - 002 - 07

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ
Ключевые слова: цифровой нивелир, вертикальная рефракция, угол i, поверка, температурные воздействия, измерение превышений, штрих-кодовая рейка, геометрическое нивелирование, подстилающая поверхность.
ЦН- цифровой нивелир
Реф.-рефракция
ЦНИИГАиК-центральный научно-исследовательский институт Геодезии, Аэрофотосъемки и картографии

Введение
Объект исследования - точность геометрического нивелирования в условиях возникновения рефракции.
Цель работы - влияние рефракции при измерении через соры (солончаки)
Для получения количественных оценок влияния рефракции на отсчеты по рейкам и на превышения на станции выполнены исследования, сутью которого было взятие отсчетов по рейкам и определение превышения на станции в течение всего светового дня.
В данном исследовании произведена попытка выявления ошибок взятия отсчета при возникновении и увеличении рефракции в течение всего дня.
Влияние рефракции на обе рейки имеет схожий характер, а также близкое значение изменения отсчетов, что в значительной степени компенсирует ошибку в превышении на станции и дает возможность утверждать, что увеличение высоты визирования не приводит к изменению характера и величины изменения отсчетов.
Область применения: данные исследования могут применяться в полевых работах пользователями -геодезистами. Увеличение продолжительности времени наблюдений - увеличение производительности труда полевых бригад.
Рефракция геодезическая, собирательный термин, которым иногда объединяют различные виды и проявления Реф. электромагнитных волн, обусловленные искривлением траектории распространения этих волн и сопутствующие всевозможным геодезическим измерениям. При этом объект наблюдения (источник наблюдаемых электромагнитных колебаний) находится в пределах земной атмосферы, тогда как в случае астрономической Реф. расположен за пределами земной атмосферы и даже на бесконечно большом расстоянии по сравнению с радиусом земного шара.
Различают Реф. световых волн, включая в неё Реф. и лучей невидимой (инфракрасной) части спектра, и Реф. радиоволн, так как искривление лучей тех и других волн зависит от показателя их преломления n на пути их распространения в атмосфере, причём сам показатель преломления является функцией длины волны.
Из-за неоднородности строения земной атмосферы, в которой показатель преломления в различных точках пространства различен и меняется во времени, луч электромагнитной волны является пространственной кривой с переменной кривизной и кручением. Проекция этой кривой на вертикальную и горизонтальную плоскости в точке наблюдения приводит к так называемой вертикальной Реф. и горизонтальной (боковой) Реф. Первая проявляется при различных видах нивелирования: тригонометрическом (земная реф., геометрическом (нивелирная. Реф.); при аэрофотосъёмке (фотограмметрическая Реф.), при наблюдениях ИскусственныхСпутников Земли (спутниковая) реф.. Боковая Реф.,на один-два порядка меньше, чем вертикальная, и сопутствует всем видам Реф.; она непосредственно влияет на результаты измерения горизонтальных углов и триангуляции, полигонометрии и астрономических наблюдений азимутов.
Зная показатель преломления атмосферы вдоль траектории распространения электромагнитных колебаний и вблизи неё, а также взаимное расположение источника и приёмника (наблюдателя) этих колебаний, можно составить уравнение луча и определить влияние Реф. на различные виды наблюдений. Однако незнание прежде всего точного показателя преломления n атмосферы в моменты наблюдений (так как он находится в сложной зависимости от температуры, давления и влажности атмосферы, а также и от физико-географических условий, топографии местности, характера подстилающего покрова) не позволяет определить точную величину реф. упомянутым прямым методом. Обычно в геодезии используют различные косвенные (метеорологические, геодезические, статистические и др.) способы определения Реф. и ослабления её действия на отдельные виды геодезических измерений. Разрабатываются инструментальные методы определения Реф., предусматривающие непосредственное определение фактического интегрального показателя преломления воздуха на пути распространения электромагнитных волн или измерение угла рефракции при помощи соответствующих измерительных устройств. [1]
Нивелирная Реф. входит в группу ошибок, обусловленных влиянием внешней среды и является одним из наиболее существенных факторов, искажающих реальную картину высокоточного геометрического нивелирования. Обзор проблемы влияния Реф. на результаты нивелирования описан в работах С.Д.Рыльке (Россия), Ш.Лаллемана (Франция), Беста (Великобритания), Руне (Швеция), Куккамяки (Финляндия), Н.А.Павлова (СССР) и других сотрудников ЦНИИГАиК. Многие результаты были учтены при разработке методов высокоточного геометрического нивелирования и нашли отражение во временных наставлениях и нормативных документах. [2]
Следует отметить, что многие исследования по влиянию Реф. на результаты нивелирования, сильно разнятся и носят противоречивый характер. Ярким примером противоречивых выводов являются исследования проф. Н.А.Павлова (1933, 1934, 1937) [3] и исследования ЦНИИГАиК (1948-1952). Проверка опытным путем достоверности формулы Н.А.Павлова для вычисления поправок за Реф. показала огромную разницу между измеренными и вычисленными результатами, а также отсутствие систематического характера Реф..
Теоретически строгая формула для вычисления поправок за рефракцию в отсчеты по рейкам при нивелировании может быть получена на основании связи углов Реф. с метеорологическими элементами и их градиентами [4]:
δ =0,11080spT2(0.0342+dTdH)(s-y) (1)
где p - давление воздуха;
T - абсолютная температур воздуха;
s - расстояние от нивелира до рейки;
y - расстояние по хорде от начальной точки луча до текущей, м;
dTdH - вертикальный градиент температуры.
В представленной выше формуле сомножитель pT2≈0,009 зависит от температуры и давления воздуха и остается в течение каждых суток практически неизменным, в то время как вертикальные градиенты температуры dTdH изменяются в широком диапазоне и остаются неизвестными в силу того, что не измеряются. Это обстоятельство является причиной того, что различные формулы, предложенные многими исследователями для вычисления поправок за рефракцию с использованием измерений температуры воздуха непосредственно около нивелира и реек, не нашли применения. Невозможность определения поправок за Реф. из - за отсутствия градиентов температуры на пути визирного луча в момент производства измерений по рейкам заставляет проводить широкие исследования и разрабатывать методические приемы по ослаблению ее влияния.
На основании теории распределения температуры по высоте Реф. может быть радиационной (приспущенное положение визирного луча) и инсоляционной (приподнятое положение визирного луча) и является функцией от времени суток, высоты визирования и длины визирного луча. Исследования Н.А.Павлова, а также других сотрудников ЦНИИГАиК показали, что в утренние часы преобладает инсоляционный тип Реф., в вечерние - радиационный, а в обеденное время наблюдается неустойчивое положение слоев воздуха. [2]

1 Цифровые нивелиры: устройство, исследования, поверки
1.1 КРАТКИЙ обзор о цифровом нивелире
В настоящее время широкое внедрение получили цифровые нивелиры. Их производством занимаются такие известные фирмы, как Carl Zeiss (Trimble), Sokkia, Leica, Topcon и др.. Цифровые нивелиры позволяют свести до минимума субъективные погрешности наблюдателя, накапливать результаты полевых измерений в памяти прибора и передавать их на компьютер. Нивелиры, в обозначении которых имеется буква T, позволяют измерять горизонтальный угол и вычислять координаты места установки штрих-кодовой рейки. В России и Казахстане ЦН не производятся.
1.2 Особенности поверки главного условия цифровых нивелиров
Исследование оптических характеристик зрительной трубы, уровней и компенсаторов наклона в Ц.Н. нивелирах практически не отличаются от вышеизложенных для оптических нивелиров. Однако поверки и порядок учета инструментальных погрешностей имеют некоторые особенности, четко прописанные каждой иностранной фирмой-изготовителем в прилагаемом к инструменту техническом паспорте.
Так, например, главное условие ЦН при электронном отсчитывании по штрих-кодовой рейке поверяется по одной из следующих принципиальных схем двойного нивелирования, при этом величина угла i не исправляется, а автоматически учитывается микропроцессором нивелира. Практически все фирмы используют одну из следующих схем двойного нивелирования: существуют схемы поверки главного условия по схеме Нобаура, Куккамяки и Фостнера.
Поверка главного условия по схеме Фостнера, когда две рейки А и В устанавливаются на расстоянии 45 м друг от друга. Это расстояние делится примерно на три части и определяются две нивелирные станции 1 и 2 на расстоянии примерно 15 м от реек и между ними. На обе рейки с каждой из этих станций выполняются измерения (рис.1);
В ЦН фирмы "Leica "DNA03 присутствуют встроенные два метода проведения поверок. Одна из схем приведена ниже

Метод полевой поверки по Фостнеру.

Рис.1

Принцип действия и устройство цифровых нивелиров
1.3.1 Общие положения.
Геометрическое нивелирование -- один из способов геодезических измерений, который всего лишь несколько лет назад достиг высокого уровня автоматизации. Несмотря на развитие автоматизации измерений путём вертикального перемещения фотоэлектрического детектора по рейке, подобные конструкции не имели должного успеха, так как процесс регистрации длился дольше, чем процесс измерения вручную опытными геодезистами.
Предшественником современного цифрового нивелирования можно считать профессора Цетше (1966 г.) из Бонна, который разработал практически все основополагающие принципы современного Ц.Н. фотоэлектрический анализ изображения специального образца реечного кода, определение и подбор масштаба кода в качестве функции дальности до рейки, функции оптического переноса изображения кода. Впервые эти и другие отличительные особенности были исследованы в его лаборатории [2 ].
Так как в то время ещё не было подходящих сенсоров (датчиков) или фотодиодных линейных матриц, то визирование на рейку производилось визуально геодезистом. Отсчитывание тогда было уже цифровым и производилось по увеличенному изображению кода рейки специальным декодером.
Дальнейшие исследования (в следующие 15 лет) велись в направлении использования изобретенной к тому времени так называемой ПЗС-матрицы (ПЗС-матрица -- прибор с зарядовой связью или CCD-матрица сокращение от англ. Charge-Coupled Device) -- специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненных на основе кремния; появился шанс преобразовать изображение рейки (штрих-кода) в области оптического визирования в цифровую информацию.
Это направление нашло развитие в Дрезденском ТУ (Schlo ee, 1984 г.), инструментальные разработки были выполнены на основе нивелира Ni002 фирмы Carl Zeiss и ПЗС-матричного сенсора с 1024 светочувствительными элементами (пикселями). Результаты исследований влились позже в разработку самостоятельного цифрового нивелира фирмы Zeiss DiNi.
Внедрение ПЗС-технологии способствовало развитию дальнейших работ в этом направлении, и в 1990 г. фирма Leica представила первый серийный нивелир с возможностью отсчитывания по штрих-кодовой рейке (рис. 2)
.

1.3.2 Характеристики электронных нивелиров

рис.2

Характеристики электронных нивелиров: высокие точность и производительность измерений, а также минимизация субъективных погрешностей исполнителя работ быстро принесли им признание. В настоящее время за рубежом электронные нивелиры разрабатывают и выпускают ряд фирм-производителей. Российские предприятия по-прежнему выпускают только оптические нивелиры, несмотря на то, что их автоматизация не требует сложного изменения конструкции нивелиров. Общее устройство цифрового нивелира представлено на рисунке 5.38. Зрительная труба 1, снабженная компенсатором наклона, формирует изображение кодовой рейки, которое через светоделитель 3 проецируется на многоэле - ментный приемник-сенсор 5. Электронный блок 6 проводит обработку данных, полученных приемником, определяет ис - комый отсчет по рейке, длину плеча и превышение на стан - ции. Для визуального наведения на рейку инструмент снабжен окуляром и сеткой нитей 4. На обратной стороне штрих-кодовой рейки, как правило, наносится обычная шашечная Е-образная разметка, что в случае необходимости позволяет исполнителю ис - пользовать электронный нивелир как оптический.
Характеристики ЦН во многом определяются методами кодирования и декодирования отсчетов по нивелирной рейке. Основное требование к любому коду -- возможность одно - значного точного считывания по нивелирной рейке вне зависимости от масштаба изображения и размера участка рейки в поле зрения.
ЦН кроме автоматического отсчитывания по рейке имеет комплексную измерительную программу, а также возможность сохранять и накапливать результаты. Таким образом значительно снижается вероятность субъективных ошибок при ни - велировании и становятся возможными другие полезные действия исполнителя, так как отпадает необходимость вести вручную по - левой журнал. Юстировка визирной оси, как правило, выполняется программно. Измеренное положение визирной оси сохраняется в памяти прибора и учитывается как поправка при последующих измерениях.
Устройство и способ отсчитывания в ЦН фирмы Leica.
Способ отсчитывания в ЦН фирмы Leica основывается на принципе корреляции. При этом эталонный код, который заложен в при - боре, сравнивается с реальным сигналом линейной фотодиодной матрицы -- сенсора. При применении способа корреляции в циф - ровом нивелировании необходимо, чтобы два параметра высота и масштаб были оптимизированы. С одной стороны, искомый отсчет, соответствующий горизонтальной линии визирования, пред - ставляется в виде кодированного изображения рейки, с другой стороны, изменяется масштаб изображения кода, что позволяет определять расстояния нивелир-рейка (длину плеча). По этой причине используются двухмерные расчёты корреляции.
Также, как и оптический, ЦН имеет оптическую систему для наведения визирной оси прибора на рейку. Обратная сторона штрих-кодовой рейки имеет, как правило, стандартную раз - метку, поэтому при необходимости, возможно, визуально считывать по рейке, как в традиционном оптическом нивелире.
Алгоритм получения текущего превышения и дальности до рейки, заложенный в вычислительный модуль ЦН, определяется выбранным способом кодирования. Используемый штриховой код разрабатывается с учётом специфики основных факторов:
конечный размер поля зрения прибора. В зависимости от уда - ления нивелирной рейки на фотоприемник проецируется участок рейки различного размера, характерный угол поля зрения нивелира составляет 1-2°, что ведет к необходимости однозначно определять отсчёт по ограниченному участку штрих-кода;
ограниченная разрешающая способность прибора, определя - емая величиной элемента фотоэлектрического приёмника (ПЗС- матрицы, используемые в цифровых нивелирах, имеют размер элемента около 10 мкм);
масштаб изображения кодовой рейки может меняться в зна - чительном диапазоне.
В качестве основы Leica взяла апериодичный псевдослучай - ный двоичный код, представленный в виде штриховых символов с минимальным размером элемента около 2 мм. Фрагмент данного кода размером 30 мм является уникальным на любом участке рейки. Определение превышения производится путём двухэтапной корреляции (сравнения) принятого сигнала с сигналом, сохранен - ным в памяти прибора.
К достоинству псевдослучайного кода можно отнести тот факт, что чтение может быть начато с любого кодового элемента. Недостаток состоит в том, что может сказаться неравномерное распределение ширины штрихов кода, что мало подходит для пре - цизионного отсчитывания по рейке.
Все ЦН фирмы Leica имеют очень похожее устройство и принципиально относятся к приборам компенсаторно - го типа вместе с дополнительными возможностями автоматического приёма и обработки изображения кодовой шкалы рейки [ ].
Процесс измерений (рис. 3) можно разделить на четыре этапа: после считывания I изображения ПЗС-линейкой с 256-2048 элементами производится оцифровка изображения рейки 1 II; за - тем цифровая картинка обрабатывается различными методами III; как результат IV определяется и выдаётся не только отсчёт, но и расстояние до рейки.
Блок-схема (рис. 4) цифрового нивелира включает в себя зрительную трубу 1 с автоматическим оптическим компенсатором наклона и фокусирующим механизмом, линейную фотодиодную матрицу-сенсор 2 с интегральным амплитудно-цифровым преоб - разователем АЦП (или без него), окуляр и сетку нитей 3, процессор 4, включающий в себя микропроцессор, по возможности АЦП в зависимости от типа используемого сенсора, оперативную и постоянную память,
II. АЦП

IV. Результат
∆ Ḫ=1,2345 м корреляция
s=14,98 м геометрическая трансформация
Рис. 3- Принцип измерений в ЦН Leica:
1 -- кодовая рейка; 2 -- ПЗС-детектор фокусирования; 2 -- изображение участков
кода; 4 -- окуляр; 5 -- поле зрения; 6 -- объектив; 7 -- фокусирующая рейка; 8 --
компенсатор; 9 -- светоделитель; 10 -- сетка нитей

Рис. 4- Блок-схема ЦН Leica
светоделитель 5, ЖК экран 6, клавиатуру 7. На обратной стороне рейки нанесена обычная шкала для визу - ального отсчитывания по перекрестию сетки нитей 3. Изображе - ние штрих-кода нивелирной рейки разделяется устройством 5 и формируется в плоскости ПЗС-матрицы сенсора 2. Для анализа штрих-кода используется сенсор поверхностного сканирования в виде площадной ПЗС-матрицы 2. Так как поверхность фотодиодной матрицы имеет множество линий фотодиодов изображение штрих кода может иметь некоторый параллельный сдвиг по отношению к оси симметрии ПЗС-матрицы.
Сенсор 2 преобразует полученное оптическое изображение штрих-кода нивелирной рейки в соответствующий электрический сигнал, который затем посылается в процессор 4. Электрический сигнал изображения преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП и хранится в оперативной памяти. Процессор 4 определяет интервалы р1 и р2, далее вычисляет ширину каждого образца штрих-кода II, идентифицирует соответствующие бло - ки штрихов и затем определяет отсчёт по рейке путём сравнения блоков штрихов с табличными значениями, заранее заданными и хранящимися в постоянной памяти.
Кодирование нивелирной рейки Leicа. На рейке нанесены штрих-кодовые символы 11, расположенные через два интервала р1р2, размеры которых сами по себе не изменяются. Та - ким образом, набор значений определённых интервалов включает только два значения, которые относительно друг друга отличаются по величинам: р1 и р2. Три последовательных штриха составляют один штриховой блок. Выбранный набор из значений ширин обо - значается как {Ж, с подстрочными индексами х=1,2,3,4 ... }.
Ниже представлен один из примеров блока штрихов {(w5,w1,w4),(p1,p2)}, (рис.5)
где р1 -- значение интервала между штрихами шириной w5 и w1; р2 -- значение интервала между штрихами ширин w1 и w4.
Другими словами, информация, выраженная блоком штрихов, также зашифрована выбором значений интервалов между после - довательными штрихами блока штрихов.
Последовательность штрихов расположена так,бы любой участок трёх последовательных штрихов {(Жа, Жс),(Ра, Pb)}, выбранный из зашифрованной шкалы блока, Жа, Жь, Жс е {Жх, x=1,2,3,4..} и (Ра, Рь) е {(Р1,р), (рр), (Р2,Р1)}, личается от другого участка из трёх последовательных штрихов, извлечённых из любой другой части нивелирной рейки.

Рис. 5- расположения штрихов кодовой рейки Leica
Позиция каждого штриха внутри блока может быть определена путём распознавания последовательности из двух различных интервалов внутри блока. На основе фокусного расстояния f телеобъектива и запрограммированного фиксированного значения интервалов р1 и р2, оценивается расстояние между нивелирной рейкой и цифровым нивелиром с помощью уравнения L=f(p1m1)=f(p2m2) (2)
где m1 и m2 -- соответствующие размеры изображения в фокальной плоскости объектива зрительной трубы для интервалов заранее установленных значений р1 и р2.
На базе детектированных постоянных интервалов р1 и р2 и ширины штрихов в наблюдаемой части нивелирной рейки может быть распознан отсчет h на ближнем расстоянии от нивелира. На большем расстоянии изображения штрихов II становятся слишком маленькими, чтобы отличаться друг от друга. В этом случае, если значения интервалов р1 и р2 известны, микропроцессор 4 найдёт искомый отсчёт по рейке с помощью перекрёстного сравнения между детектированным изображением штрих-кода нивелирной рейки и зашифрованном его значением, имеющимся в постоянной памяти. Результаты измерения отображаются на ЖК экране 6 (см. рис. 4). Процедура обработки данных представлена в блок-схеме (рис. 5.42). Процедура начинается с нулевого шага S2, в течение которого получают изображения штрих-кода и преобразуют их в цифровой вид. Исходя из этих данных, процессор 4 вычисляет расстояние до нивелирной рейки. Результат сравнивается с заранее заложенными интервалами для определения возможности выполнения прямой декодировки S6 -- дешифрирования.

Рис.6-процедура обработки
Если расстояние попадает в нужный диапазон, выдается отсчет по рейке посредством прямого декодирования блока штрихов в поле зрения цифрового нивелира (шаг S8) и значение декодированной высоты выводится на ЖК дисплей (шаг S10). Таким образом, отсчет по рейке может быть определен посредством штрих кодового блока из трех последовательных штрихов различной ширины и блока из двух интервалов между штрихами. Вдобавок последовательность штрихов различной ширины выбирается так, чтобы отсчет по рейке мог быть определен заменой трех штрихов из прерывистой последовательности четырех последовательных штрихов. Это позволяет выполнять измерения с определенной помехозащищенностью. У цифровых нивелиров Leica изображение кода рейки проецируется на матричный фотодетектор через светоделитель (рис. 5). Светоделитель просветлен таким образом, что основная инфракрасная часть света фрагмента рейки отводится на фотодетектор, в то время как свет видимого диапазона в основном

Рис.7- Оптико-механическое устройство цифрового нивелира Leica:
1 -- объектив; 2 -- фокусирующая линза; 3 -- датчик фокуса; 4 -- демпфер компен - сатора; 5 -- ПЗС-детектор; 6 -- окуляр; 7 -- компенсатор; 8 -- светоделитель; 9 -- сетка нитей
проецируется на сетку нитей. Таким образом, с одной стороны мощность света не вредит визуальным наблюдениям, с другой стороны используется необходимая интенсивность фотоприемника, максимальная чувствительность которого находится в инфракрас - ной области спектра. Линейчатый фотоприемник длиной ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.