Лекция 1. Определение плановых координат местности. 
Теодолиты, их типы, устройство

1. Определение плановых координат местности

При изучении территории всегда возникает необходимость установить взаимное расположение различных объектов на местности. Эта задача наилучшим образом решается тогда, когда в результате исследований составляется та или иная тематическая карта или, когда положение интересующих исследователя объектов определяется в какой-либо системе координат.

Целесообразнее всего координаты объектов определять в общегосударственной системе, распространяющейся на всю территорию страны, например, в географической или прямоугольной системе Гаусса-Крюгера. Однако в некоторых случаях приходится координаты определять в условной системе, распространяющейся на ограниченный участок исследования. В этом случае за начало координат принимается произвольная точка (например, одна из буровых скважин), а за оси координат — произвольно выбранные взаимно перпендикулярные линии. Можно, например, за ось абсцисс принять магнитный меридиан, определяемый на местности с помощью буссоли. Независимо от того, в какой системе определяются координаты, основная задача — характеристика взаимного расположения объектов относительно друг друга — столь же успешно будет решена в условной системе, равно как и в общегосударственной.

Для того чтобы определить в общегосударственной системе координаты объектов, расположенных в районе работ, необходимо передать координаты от точек государственной геодезической сети к одной из своих точек, от которой затем определить координаты для всех остальных. Комплекс полевых и камеральных работ по определению координат точек относительно точек государственной геодезической сети носит название геодезической привязки.

В зависимости от того, какие именно координаты определяются, будем иметь дело с плановой геодезической привязкой, когда определяются только абсциссы и ординаты; с высотной, — когда определяются только высоты точек, или, наконец, с полной геодезической привязкой, при которой определяются все три координаты.

Работы по определению координат распадаются на три этапа. Первый состоит в рекогносцировке района работ с целью дать оценку местности, характерные особенности которой обусловят выбор наиболее рационального метода определения координат. Во время рекогносцировки отыс. кивают на местности пункты государственной геодезической сети, относительно которых будут определяться координаты точек, а сами определяемые точки закрепляются на местности тем или иным способом. По данным рекогносцировки составляют технический проект, в котором указывают наиболее целесообразную методику полевых работ.

Второй этап заключается в полевых геодезических измерениях на местности. Эта работа состоит в измерении длин линий, горизонтальных и вертикальных углов. В заключительном, третьем этапе результаты полевых измерений подвергаются математической обработке с целью получения значений координат, вычерчиваются графики, схемы, профили и составляются каталоги вычисленных: координат точек.

2. Теодолиты, их типы, устройство

Теодолит — угломерный прибор, предназначенный для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Теодолиты различают по типу (конструкции) и точности измерений. В последнем случае они делятся на высокоточные, точные и технические. Технические теодолиты обеспечивают точность измерения углов с погрешностями более 10″ и находят самое широкое применение в топографических съемках и съемках для обеспечения полевых географических, геологических, землемерных работ.

По конструкции теодолиты подразделяют на механические (с металлическим лимбом), оптические, электронные и лазерные (электронный теодолит со встроенным лазером). Они различаются между собой главным образом системой отсчета по лимбу. В настоящее время все еще широко используются оптические теодолиты со стеклянными лимбами и шкаловыми микроскопами или оптическими микрометрами для отсчетов и начинают внедряться электронные теодолиты.

Некоторыми конструктивными особенностями обладают теодолиты, предназначенные для маркшейдерских и астрономических работ. Отдельно следует упомянуть гироскопические теодолиты, в конструкцию которых включен гироскоп, выполняющий роль гирокомпаса — механического указателя направления истинного (географического) меридиана, что необходимо для определения азимута ориентируемого направления, особенно при маркшейдерских работах (прокладке тоннелей и др.).

Марки наиболее распространенных технических теодолитов Т 15, Т 30, 2 Т 30, 2 Т 30П, 3T30, 4 Т 15П, 4 Т 30П. В этих обозначениях: цифра перед буквой — номер модели, Т — теодолит, 15, 30 или другие числа — средняя квадратическая погрешность измерения угла в секундах. Более поздние серии теодолитов имеют некоторые конструктивные особенности. Например, буква «П» означает, что труба прибора дает прямое изображение. Теодолитами серии 4 Т может производиться нивелирование с помощью уровня на зрительной трубе. Вращением специального винта может выполняться перестановка лимба. Съемная подставка со встроенным оптическим центриром позволяет работать по специальному методу трехштативной системы.

Рассмотрим принципиальную схему теодолита 2 Т 30П (рис. 6.1).

Зрительная труба предназначена для визуального наблюдения удаленных предметов. До недавнего времени почти все геодезические трубы давали «обратное», т. е. перевернутое, изображение. Сейчас все чаще изготовляют трубы с прямым изображением.

Увеличение изображения в трубе может быть от 15^х до 50^х в зависимости от требуемой точности визирования и точности измерения углов. В теодолите 2 Т 30П увеличение трубы 20^х.

Рис. 6.1. Схема теодолита 2 Т 30П: 1 — основание; 2 — наводящий винт горизонтального круга; 3 — горизонтальный лимб; 4 — боковая крышка; 5 — окуляр микрометра; 6 — зеркало для подсветки лимбов и отсчетных шкал; 7 — вертикальный лимб; 8 — зрительная труба, объектив трубы; 9 — уровень при трубе; 10 — закрепительный винт трубы; 11 — кремальера для наведения изображения в трубе на резкость; 12 — наводящий винт трубы; 13 — колонка; 14 — диоптрийное кольцо окуляра; 15 —уровень при алидаде; 16 — наводящий винт алидады; 17 — закрепительный винт алидады; 18 — закрепительный винт горизонтального круга; 19 — подставка; 20 — подъемные винты; 21 — становой винт; 22 — тренога (штатив); 23 — отвес

Поле зрения трубы может быть от 30' до 2°. У теодолита 2 Т 30П оно равно 2°.

В окуляре трубы установлена сетка нитей (рис. 6.2). Она выгравирована на стекле, вставленном в металлическую обойму, которая закрепляется исправительными винтами (или без них) в поле зрения трубы со стороны окуляра. Наводка на резкость сетки нитей осуществляется с помощью кольца окуляра. Прямая, проходящая через центральное перекрестие сетки нитей и центр объектива, называется оптической осью трубы (теодолита).

Рис. 6.2. Сетка нитей зрительной трубы теодолита 2 Т 30П

Лимбы — плоское кольцо с нанесенными на боковой поверхности штрихами, делящими окружность на равные части (градусы, минуты). В теодолитах различных конструкций и точностей дробность делений может быть разной. В теодолите 2 Т 30П горизонтальный и вертикальный лимбы разделены через 1°. Горизонтальный лимб оцифрован по часовой стрелке от 0 до 360°, а вертикальный лимб — от 0 до +75° и -75°.

Уровни служат для установки всего прибора или его частей, в частности лимбов, в определенное положение по отношению к отвесной линии. Так, горизонтальный лимб в рабочем состоянии должен занять горизонтальное положение. Уровни теодолита обычно цилиндрические. Но в других приборах встречаются также менее точные круглые (шаровые) уровни. Цилиндрический уровень — запаянная с одной стороны ампула, в которой помещен сернистый эфир в количестве, при котором образуется воздушный пузырек (рис. 6.3).

Отсчетные устройства необходимы для взятия отсчетов по шкалам лимбов горизонтального и вертикального кругов, когда оптическая ось трубы наведена на одну из точек, между направлениями на которые измеряется угол. Отсчет — это величина дуги между нулевым штрихом шкалы лимба и отсчетным индексом. Отсчетное устройство — микроскоп — состоит из приспособлений для рассматривания штрихов лимба и оценки доли деления лимба.

Рис. 6.3. Цилиндрический уровень: LL₁ - ось уровня; R - радиус дуги выточенной поверхности; l - дуга между двумя штрихами; 0 - нуль-пункт уровня

Внутренняя полость стеклянного цилиндра выточена по дуге окружности радиусом R, а на поверхности цилиндра нанесены штрихи. Расстояние между соседними штрихами l=2 мм. Точность уровня зависит от радиуса дуги выточенной поверхности и частоты штрихов и вычисляется по формуле.

ф" = l/ R,

где ф"  — цена деления уровня. Обычно ф" теодолитных уровней составляет от 4 до 60″. В технических теодолитах ф" = 45−60" . Стеклянная ампула цилиндриче ского уровня помещается в металлический патрон и закрепляется на приборе так, чтобы один конец уровня с помощью исправительных винтов мог быть поднят или опущен в процессе поверок прибора.

В точных и технических оптических теодолитах применяют шкаловые и штриховые микроскопы. В штриховых отсчетных устройствах на деления лимба проецируется штрих, который является нуль-пунктом отсчета. В шкаловых, более точных устройствах шкала микроскопа накладывается на один из штрихов делений лимба, по которому выполняется отсчет. В поле зрения штрихового или шкалового микроскопа введены одновременно два изображения: вертикального и горизонтального лимбов. На рис. 6.4 показания горизонтального лимба 132°07'30" , показания вертикального лимба — 1° 23'.

У электронных теодолитов рабочая мера (носитель информации вместо лимба) может быть в виде электротехнических элементов (резисторов и др.). Считывание информации (измеренных углов) может выполняться визуально с цифрового табло или в автоматическом режиме — с регистрацией на носитель информации (внутренняя память прибора, карточка памяти и пр.).

Существуют также теодолиты со специальными устройствами, предназначенными для повышения качества и удобства измерений. Например, лазерные теодолиты позволяют автоматически наводить прибор на точку и регистрировать отсчеты.

Рис. 6.4. Шкаловой микроскоп теодолита 2 Т 30П