У статті наведені результати дослідження впливу вертикальної рефракції на нівелювання за допомогою цифрових нівелірів. Результати досліджень показують, що при виконанні високоточного нівелювання із застосуванням цифрових нівелірів спостерігається набагато менший вплив вертикальної рефракції на відліки по рейках, ніж при виконанні нівелювання нівеліром з оптичним мікрометром навіть при висоті візирного променя над підстилаючої поверхнею 50 см.
Крім високоточного державного нівелювання I і II класів, що виконується в чисто польових умовах, воно також виконується в містах та на промислових майданчиках, де загальні умови його виробництва часто істотно відрізняються між собою. Наприклад, високоточне нівелювання в містах проводиться в умовах впливу вібрації на нівелір від транспорту, що рухається, а візирний промінь може проходити над різною підстильної поверхнею навіть на одній нівелірній станції: твердий грунт, трав'яний покрив, асфальт, бетонне покриття. На промислових майданчиках візирний промінь також проходить над різною підстильної поверхнею, включаючи різні трубопроводи та елементи будівельних конструкцій.
Зазначені умови виконання вимірювань мають місце і при виконанні нівелювання цифровими нівелірами. Крім того, з урахуванням принципу роботи цих нівелірів вплив вертикальної рефракції на одержувані результати слід очікувати дещо іншим, ніж при виконанні вимірювань оптичними нівелірами. У цифровому нівелір поняття променя візування дещо інше, ніж в оптичному нівелір.
При виконанні нівелювання оптичними нівелірами отсчітиваніе по рейці Р (рис. 1, а) проводиться горизонтальної візирної віссю Оb.
а) оптичний нівелір б) цифровий нівелір
Мал. 1. Принцип взяття відліку по рейці
У цьому випадку вплив вертикальної рефракції на відлік «b» по рейці буде відбуватися шаром повітря, розташованим у напрямку візирної осі і нижче неї. Якщо нівелювання виконується цифровими нівелірами, то відлік (зчитування штрих-коду) проводиться кутовим α полем зору (рис. 1, б). В цьому випадку якщо припустити, що висота Вb променя візування оптичного нівеліра і Вb1 цифрового будуть однакові, то, тим не менш, у другому випадку промені Оb 'і Оb'1, що утворюють кут α, будуть перебувати на різних висотах щодо підстильної поверхні. Отже, при однаковій горизонті інструменту і рівних умовах вплив рефракції на промінь Оb і на пучок променів в кутовому секторі α буде різним.
У зв'язку з цим вважаємо за необхідне привести результати наших досліджень щодо впливу вертикальної рефракції на результати нівелювання, що виконується цифровими нівелірами, які, на наш погляд, будуть сприяти внесенню доповнень до існуючого нормативний документ.
Перед початком досліджень було вжито заходів щодо ослаблення основних помилок нівелювання, таких як впливу переміщення спостерігача на положення системи «цифровий нівелір-штрих-кодова рейка», ослаблення впливу нахилу штрих-кодових рейок, унеможливлення потрапляння засвічень від променів Сонця в об'єктив нівеліра і ін.
Профіль підстильної поверхні був рівнинний, а також має ухил (підйом в сторону рейки). Дослідження включали в себе дві програми.
Перша програма. При реалізації першої програми визначалося вплив рефракції на зміни відліку по штрих-кодової рейці протягом всього дня при відстані до неї 15, 30 і 50м і висоті візирного променя над підстилаючої поверхнею для кожного з цих відстаней 50 і 70 см. Щодня, перед початком вимірювань і по їх закінченні визначалося значення кута i.
Дослідження при сонячній погоді і мінливій хмарності.
1. Відстань 15 м. На рівнинній ділянці (перевищення між нівеліром і рейкою були в межах 0,2-0,3 м) для обох типів підстильної поверхні при висоті візирного променя 50 см після сходу сонця протягом 1,0-1,5 години спостерігається збільшення відліків по рейці на 0,04-0,15 мм. Потім збільшення відліків припиняється, і протягом дня спостерігаються зміна відліків практично симетрично щодо середнього положення. Перед заходом Сонця спостерігається зменшення відліків практично на таку ж величину. При висоті візирного променя 70 см для обох типів підстильної поверхні збільшення відліків по рейці не перевищувало 0,12 мм. Потім також протягом дня спостерігаються зміна відліків практично симетрично щодо середнього положення. Перед заходом Сонця також спостерігається зменшення відліків практично на таку ж величину.
На похилій ділянці (перевищення між нівеліром і рейкою були в межах 1,2-1,4 м) зміни відліків по рейці були практично такими ж.
2. Відстань 30м. При цьому відстані для трав'яного покриву на рівнинній ділянці збільшення (в подальшому і зменшення) відліків по рейці в періоди сходу і заходу Сонця було в межах 0,18-0,26 мм, а для твердого покриття о, 24-0,32 мм. Для похилої ділянки в ранкові та вечірні години спостерігалася зміна відліків приблизно на 20-30% більше, ніж на рівнинній ділянці. Протягом дня також спостерігалося практично симетричне зміна відліків по рейці щодо середнього положення. Збільшення висоти візування до 70 см практично не призводить до зміни характеру і величини зміни відліків.
3. Відстань 50 м. При цьому відстані для трав'яного покриву і для твердого покриття на рівнинній ділянці збільшення (зменшення) відліків по рейці в періоди сходу і заходу Сонця було в межах 0,46-0,68 мм, а на похилій ділянці 0, 52-0,76 мм. Також протягом дня спостерігалося практично симетричне зміна відліків по рейці щодо середнього положення. Збільшення висоти візування до 70 см також практично не призводить до зміни характеру і величини зміни відліків. Осредненний графік зміни відліків для інтервалів о 1 годині при сонячній погоді і мінливій хмарності для всіх днів спостережень наведено на рис. 2.
Мал. 2. Вплив вертикальної рефракції на цифрове нівелювання
Дослідження при похмурій погоді.
Результати досліджень такі.
На відстанях 15, 30 і 50 м протягом дня зміна відліків по рейці щодо середнього положення було невеликим (приблизно на 20% менше, ніж при сонячній погоді) і симетричним.
Друга програма. У другій програмі досліджень визначалася величина зміни перевищення на станції також при відстанях до рейок 15, 30 і 50 м і висоті візирного променя над підстилаючої поверхнею 50 і 70 см. Реалізація другої програми виконувалася паралельно з першою програмою для тих же умов виробництва вимірів: зовнішніх умовах , довжині і висоті візирного променя, трав'яному покриві і твердому покритті.
Дослідження виконувалися в такий спосіб. Через 15-20 хв після сходу сонця 15 разів вимірювалося перевищення, середнє з яких для даного дня приймалося за вихідне. Потім протягом всього дня з інтервалом 8-10хв перевищення вимірювалося три рази і з них знаходилося середнє. Дослідження закінчувалися перед заходом Сонця або відразу після його заходу. Величина впливу вертикальної рефракції оцінювалася по різниці перевищень, виміряних протягом всього дня і вихідним перевищенням.
Результати дослідження при сонячній погоді і мінливій хмарності.
1. Відстань 15 м. На рівнинному і похилому ділянках, а також при двох висотах візування зміна перевищень протягом усього дня є незначним і воно знаходиться в межах 0,03-0,08 мм.
2. Відстань 30 м. Протягом всього дня зміна величини перевищення щодо вихідного становить 0,07-0,10 мм.
3. Відстань 50 м. Протягом всього дня зміна величини перевищення щодо вихідного становить 0,08-0,18 мм (з урахуванням помилок власне вимірювання перевищення). Ця зміна для всіх відстаней носить випадковий характер.
Дослідження при похмурій погоді.
Для відстаней 15. 30 і 50 м. На рівнинному і похилому ділянках, а також при двох висотах візування зміна перевищень в ранкові та вечірні періоди спостережень є незначним, носить випадковий характер і знаходиться в межах 0,05-0,14мм (з урахуванням помилок власне вимірювання перевищення). Короткочасні опади не впливають на величину вимірюваного перевищення.
На підставі виконаних досліджень можна сформулювати наступні висновки:
1. Вплив вертикальної рефракції на зміну відліків по штрих кодової рейці цифровим нівеліром менше ніж при отсчітиваніі оптичним нівеліром по штриховий рейці навіть при висоті візирного променя над підстилаючої поверхнею 50 см.
2. У зв'язку з цим вважаємо за необхідне при виконанні нівелювання I і II класів максимальною довжиною променя зменшити висоту візирного променя над п'ятою рейки, відповідно, до 0,5 і 0,4 м. Це буде сприяти збільшенню просуваючись виконання нівелювання без втрати точності вимірювань.