Державний університет “Львівська політехніка”

Тревого

Ігор Севірович

УДК 528.33

Проблеми побудови планових геодезичних мереж в містах

та методи їх вирішення

Спеціальність 05.24.01 - геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка”

Міністерство освіти України

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Павлів Петро Васильович, Український Державний лісотехнічний університет, кафедра таксації і геодезії, м. Львів;

доктор технічних наук, професор Суботін Іван Єгорович, Київський Національний університет будівництва і архітектури, кафедра інженерної геодезії, м. Київ;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співпрацівник Прокопов Олександр Васильович, Державне науково-виробниче об’єднання “Метрологія”, начальник лабораторії проблем метрології і теорії вимірів, м. Харків.

Провідна установа: Донецький Державний технічний університет, кафедра геодезії, Міністерство освіти України, м. Донецьк.

Захист відбудеться 7 травня о 10 год. 1999 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.13 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою 290646, Львів-13, вул. Ст. Бандери, 12, ауд.518 II навчального корпусу

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” за адресою: 290646, м. Львів, вул. Профе-сорська, 1.

Автореферат розісланий 26 березня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савчук С.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність наукової проблеми

Швидке зростання міст в Україні супроводжується збільшенням їх площі, появою нових промислових об’єктів, високих споруд, транспортних магістралей, складних інженерних споруд тощо і вимагає надійної геодезичної основи, побудова якої пов’язана з науковими проблемами, модернізацією і великим обсягом геодезичних робіт. Важливе значення має геодезична основа і для ведення міського кадастру. Планові мережі переважно будують методами тріангуляції, полігонометрії і трилатерації. З міською тріангуляцією і трилатерацією починає конкурувати GPS-метод, а міська полігонометрія залишається найбільш масовим методом побудови планової основи на забудованих територіях.

Технологічні досягнення геодезичного приладобудування привели до появи багатьох моделей точних і ефективних електронних світло-відда-лемірів, електронних тахеометрів, тотальних станцій. У зв’язку із підвищенням точності лінійних вимірів виникає необхідність теоретичного обгрунтування і врахування співвідношення Q точності кутових і лінійних вимірів у світловіддалемірній полігонометрії, дослідження і врахування окремих джерел помилок, розрахування допусків для нормативних документів і т.і.

Разом з тим виникла проблема метрологічного забезпечення світловіддалемірних вимірів, яку доцільно розв’язати методом побудови в Україні мережі взірцевих геодезичних базисів оптимальної конструкції і розробки технології еталонування на них світловіддалемірів.

На якість створення мереж тріангуляції та полігонометрії впливають характерні особливості міст та їх кліматичні умови. Над містом і на його вулицях утворюються стійкі і складні поля рефракції, що веде до погіршення умов спостережень і підлягає глибшому вивченню, класифікації і врахуванню при проектуванні міських мереж і організації спостережень.

Пункти міських геодезичних мереж вигідно розташовувати на високих спорудах, але це пов’язано з динамікою пунктів, яка раніше не враховувалась, що також підлягає детальному дослідженню. Актуальність проблеми полягає в тому, що врахування короткоперіодичних і довгоперіодичних рухів носіїв геодезичних пунктів важливе при визначенні координат пунктів різними методами, в тому числі і GPS-методом. Особливого значення це набуває для міських геодинамічних полігонів.

Вирішення сьогоденних проблем побудови міських геодезичних мереж має важливе значення для розвитку геодезичної науки і виробництва в Україні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота тісно пов’язана з науковою та навчальною роботою Державного університету “Львівська політехніка”, з планами науково-дослідних робіт Головного управління геодезії, картографії та кадастру при Кабінеті Міністрів України та ГУГК при РМ СРСР. Зокрема, у 1979-1990 роках для науково-дослідного інституту прикладної геодезії ГУГК СРСР проведені широкомасштабні дослідження впливу горизонтальної рефракції на якість побудови міських мереж тріангуляції і полігонометрії та досліджено вплив зовнішнього середовища на стійкість пунктів і точність вимірів в опорних геодезичних мережах міст. Результати теоретичних і експериментальних досліджень міської полігонометрії та вдосконалення метрологічного забезпечення світловіддалемірних вимірів враховані при складанні “Інструкції з топографічної зйомки у масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500”, Головне управління геодезії, картографії та кадастру при КМ України, 1998 р.

Мета і задачі дисертаційної роботи

Метою роботи є: на підставі досліджень основних джерел помилок сучасної світловіддалемірної полігонометрії обгрунтувати доцільне співвідношення Q впливу помилок кутових і лінійних вимірів, отримати необхідні формули і встановити реальні допуски для джерел помилок; розробити програму оптимального еталонування на базисі світловіддалемірів, розробити нову конструкцію взірцевого геодезичного базису, методику його побудови і виміру інтервалів (з допомогою GPS), та скласти рекомендації з метрологічного забезпечення світловіддалемірних вимірів в Україні; на підставі класифікації міст за кліматичними умовами і характерними особливостями і об’ємних досліджень розробити рекомендації для врахування впливу горизонтальної рефракції і динаміки геодезичних пунктів на будівлях при створенні мереж міської тріангуляції і полігонометрії і використанні GPS-методу.

У роботі поставлені такі задачі:

1.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна одержаних результатів:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Практичне значення одержаних результатів

Наукові розробки автора направлені на підвищення точності, оперативності та ефективності побудови міських геодезичних мереж. А саме: на підвищення точності світло-віддале-мірних вимірів, на встановлення оптимальних допусків для джерел помилок в міській полігонометрії, на вдосконалення і зменшення вартості взірцевих геодезичних базисів і оптимізацію еталонування віддалемірної техніки, на врахування впливу горизонтальної рефракції і динаміки геодезичних пунктів на спорудах при побудові міських мереж тощо. Результати теоретичних і експериментальних досліджень та розробок впроваджені в Укргеоінформ при складанні “Інструкції з топографічної зйомки у масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500”, у Новосибірському науково-дослідному інституті прикладної геодезії при підготовці “Руководства по построению сетей сгущения в городах” і у ряді підприємств і організацій України, Росії, Беларусі, Латвії, що підтверджено 10-ма актами впровадження.

Крім того, збудовані три регіональні взірцеві геодезичні базиси, які використовуються для еталонування світловіддалемірної техніки.

Особистий внесок здобувача

Всі нові наукові результати викладені у дисертації, отримані автором самостійно, що підтверджується більшістю одноосібних публікацій. У спільних публікаціях особистий внесок автора полягає в розробці програм досліджень та теоретичних положень, участі у експериментальних роботах, аналізі отриманих результатів, формуванні висновків.

Апробація роботи здійснювалась на наукових семінарах кафедри геодезії ДУ “Львівська політехніка” і у доповідях (понад 70) матеріалів дисертації на міжнародних, всесоюзних та регіональних конгресах, конфе-рен-ціях, симпозіумах, нарадах. У тому числі на Всесоюзній науково-тех-нічній конференції “Совершенствование программы и схемы построения опорных геодезических сетей на териториях городов” (Новосибирск, 1980), на Всесоюзній науково-технічній конференції “Состояние и перспективы развития геодезии и картографии” (Москва, 1986), на XVIII General ASSAMBLY IAG (Gamburg, 1983), на The 2nd baltic conference geodesy and cartograhy (Riga, 1992), на XX KONGRESS Internationale Verainigung der Vermessungen (FIG, Melburn, 1994), на “Всесоюзном совещании по рефрак-ции электромагнитных волн в атмосфере” (Томск, 1983), на IX з’їзді ВАГО (Новосибирск, 1990), на “Межведомственных совещаниях по изучению сов-ре-менных движений земной коры на геодинамических полигонах СССР” (Дагомыс, 1987, Ташкент, 1991), на Українській науково-технічній кофе-ренції “Метрология в геодезии” (Харків, 1994, 1996), у Респуб-лікансь-кому семінарі “Автоматизация инженерно-геодезических изысканий” (Київ, 1991), на IV Medzinarodne Slovensko-Polsko-Ceske Geodeticke Dni (StaLesna, 1998), на міжнародному науково-технічному симпозіумі “Гео-інфор-маційний моніто-ринг навколишнього середовища” (Алушта, 1998) тощо.

Публікації

Основні положення дисертації опубліковані в центральних фахових виданнях та збірниках наукових праць конгресів, конференцій, симпо-зіумів, нарад, у тому числі і міжнародних. За матеріалами дисертації опубліковано 74 наукові праці: одна монографія; 58 публікацій в періодичних наукових виданнях, збірниках і працях конгресів, конференцій, симпозіумів, нарад; одне авторське свідоцтво і 14 тез конференцій, симпозіумів і нарад.

Структура і обсяг роботи

Дисертація викладена на 250 сторінках, складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літератури (177 назв). Робота має 50 рисунків і 65 таблиць. Крім того, є додатки на 24 сторінках, які включають акти впровадження результатів науково-дослідних робіт.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. Висвітлені короткий зміст роботи, дані про публікації, апробацію і впровадження розробок і результатів досліджень.

У першому розділі проведені теоретичні дослідження міської світловіддалемірної полігонометрії, яка є ефективним методом створення планової геодезичної основи.

У теорії полігонометрії прийнято вважати, що помилки кутових та лінійних вимірів однаково впливають на помилку М положення кінцевої точки ходу. У сучасній міській полігонометрії лінії вимірюють точними електронними світловіддалемірами і тахеометрами, внаслідок чого вплив помилок лінійних вимірів значно зменшується. Якщо дотримуватись принципу рівних впливів (ПРВ), то при високій точності лінійних і стабільній точності кутових вимірів створюється зайва вільність допусків, яка не використовується. У роботі запропоновано при попередніх розрахунках точності враховувати фактичне співвідношення

, (1)

де середні квадратичні поперечна і повздовжня помилки ходу, величини якого можуть досягати 5 і більше одиниць. З врахуванням Q запропоновано формули для граничних сумарної випадкової помилки та для окремого джерела помилок у виміряному куті

(2)

, (3)

і відповідно формули для середніх квадратичних помилок при р = 0.95

, (4)

. (5)

Для розра-хунків сумарного впливу систематичних помилок на кожний окремий кут отримано формулу

. (6)

Допуски для джерел помилок світловіддалемірних вимірів випадкового чи систематичного характеру пропонується розраховувати за формулами

(7)

(8)

Для обрахування Q рекомендується формула

(9)

У формулах (2-9) Т знаменник відносної нев'язки, S і n довжина і кількість сторін ходу, , і середні квадратичні помилки виміру кута і сторони.

Оскільки для полігонометрії Т і задаються, а помилка через значну кіль-кість моделей світловіддалемірів суттєво змінюється, доцільно мати таблиці величин Q. Для ряду приладів їх отримано нами на основі математичного опрацювання великого обсягу вимірів із світловіддалемірної полігонометрії.

У розрахунках точності вигідним є варіант використання Q, за яким помилки в положенні слабшого пункту ходу будуть мінімальними. Тому в роботі проведено дослідження точності світловіддалемірної полігонометрії залежно від форми ходів і співвідношення Q для значень Q=5, Q=2, Q=1 8 ходів різної форми, що спираються на вихідні пункти і напрямки. Периметр [S], кількість сторін n, рівність сторін, помилки і були однакові для ходів усіх форм у серії.

Для усіх вершин ходів за відомою формулою вагової функції були обчислені помилки їх положення: поздовжня , поперечна і загальна М.

З досліджень виявилось, що в ходах світловіддалемірної полігонометрії найслабша вершина, як правило, міститься у середині ходу, і на її розташування мало впливає Q і форма ходу. У витягнутих ходах помилка має тенденцію зменшуватись при зростанні Q. При Q=1 вона максимальна і в 1.5 рази більша, ніж при Q=5. Така тенденція спостерігається і в ходах довільної форми. Оскільки найбільші помилки отримані при Q=1, то ПРВ не є оптимальним співвідношенням для світловіддалемірної полігонометрії. Пізніше до такого висновку прийшов і Х.Найденов.

Вплив форми ходу на його точність суттєво залежить від Q. Коли Q=5, що характерно для сучасної полігонометрії, ламані ходи значно точніші ніж витягнуті. При Q=1 (ПРВ) помилки ходів різної форми практично однакові.

Були розраховані також середні квадратичні помилки дирекційних кутів усіх сторін 8 досліджуваних ходів. Помилки також зменшуються при зростанні Q. Коли Q=5 усі значення менші ніж . У випадку Q=1 (ПРВ) точність визначення дирекційних кутів суттєво залежить від форми ходів і помилка в ламаних ходах в 1.5 рази більша, ніж у витягнутому. Слабші дирекційні кути визначаються неоднозначно. У 50% випадків коли Q=2 і Q=5 вони розташовані ближче до кінцевих пунктів ходів, а коли Q=1 опиняються в середині для всіх ходів.

Таким чином, і в розумінні точності визначення дирекційних кутів сторін співвідношення Q=5 також є оптимальним.

Коли Q велике, то ламані ходи точніші від витягнутих, еквівалентних їм, але при фіксованому розташуванні вихідних пунктів витягнуті ходи будуть коротші, тому в роботі проведені аналітичні дослідження точності витягнутих ходів, які замінюють ходи довільної форми. Розрахунки проведено з використанням формули вагової функції. Виявилось, що при великих Q витягнуті ходи, хоч і значно коротші від зігнутих, але поступаються їм за точністю. Винятком став витягнутий хід, який заміняє хід П-подібної форми. Він точніший, бо його периметр у три рази менший. Проте на практиці, з погляду раціонального забезпечення території основою, такі заміни недоцільні. При малих Q витягнуті ходи точніші, але такі Q не властиві для світловіддалемірної полігонометрії.

Актуальним залишається питання про допустиму зігнутість витягнутих ходів. Критерії зігнутості, запропонували В.В. Данилов, Б.І. Литвинов, К.Л. Проворов, А.С. Чеботарьов, В.Ф. Антонюженко, В.Г. Конусов та інші вчені. У роботі отримано формули для розрахунку параметрів допустимої зігнутості ходу і з врахуванням Q

. (10)

Граничні значення при імовірності р = 0.95 розраховуються за формулами

.

У роботі проведено дослідження точності і виявлення переваг полігонометрії з незалежно виміряними азимутами сторін. Запропоновано формулу для обчислення нев'язки азимутальних полігонометричних ходів довільної форми

. (11)

З використанням відомої формули вагової функції досліджено розподіл помилок у невільних азимутальних ходах різної форми і проведено порівняння з кутомірними ходами. Показано, що точність азимутальних ходів не залежить від геометричної форми при будь-яких Q. Відношення помилок , а при постійній помилки однакові для ходів будь-якої форми.

За умови і великих Q в азимутальному ході помилка менша від помилки кутомірного ходу. Коли Q=1 , що свідчить про недоцільність використання ПРВ. Відносні нев'язки азимутальних ходів при набагато менші, ніж в еквівалентних кутомірних. Це дає можливість суттєво збільшувати периметри азимутальних ходів при великих Q і умові . Крім того, на точність азимутальних ходів не впливають помилки опорних дирекційних кутів. У рівносторонньому азимутальному ході слабким місцем є його середина, а в нерівно-сто-роньому воно може суттєво відхилятись від середини. Ці особливості азимутальних ходів спрощують їх проектування. Проте сьогодні ще немає економічних переваг гірополігонометрії над кутомірною.

У роботі проведено розрахунки допусків для помилок кутових і лінійних вимірів для різних Q і отримано формулу для розрахунку окремих допусків з врахуванням Q.

Допуски, отримані при Q=5 для будь-якого ходу, виявились більш строгими для лінійних вимірів, особливо в коротких ходах, а допуски кутових вимірів практично однакові при різних Q. Коли Q=1 (ПРВ) допуски для лінійних вимірів виявились занадто широкими. Із застосуванням сучасних топографічних віддалемірів у цьому немає потреби. Допуски в прямолінійних ходах виявились найбільш строгими.

Розглянуто три можливі підходи до встановлення допусків для окремих джерел помилок кутових і лінійних вимірів у полігонометрії:

1) розрахунок на слабший витягнутий хід даного класу (розряду);

2) те саме, для окремої мережі;

3) за умови Q=const для будь-якого ходу.

Виявилось, що попередню оцінку точності ходів довільної форми треба зводити до оцінки еквівалентного витягнутого ходу, бо точнісні нормативи в прямолінійних ходах найбільш строгі особливо при великих Q. Встановлення оптимальних допусків для джерел помилок кутових і лінійних вимірів сучасної світловіддалемірної полігонометрії даного класу (розряду) доцільно здійснювати, виконуючи розрахунок для слабшого витягнутого ходу з врахуванням Q. Такий підхід треба використовувати на практиці і під час підготовки нормативних документів.

Вперше здійснено розрахунок допусків для помилок кутових і світловіддалемірних вимірів з врахуванням Q.

Як відомо, в нормативних документах наведено значення помилки , граничної нев’язки 1:Т, часто помилки , а деколи і кількості сторін n. Однак фіксувати величини і n недоцільно, оскільки точність сучасних топографічних світловіддалемірів і електронних тахеометрів висока і суттєво відрізняється. Буде логічно розглядати задане інструкцією значення як граничну точність будь-якого методу лінійних вимірів у полігонометрії, а на практиці викорис-товувати , яка відповідає обраному для роботи світло-віддалеміру. Створений при цьому запас точності в разі необхідності можна реалізувати для збільшення кількості n сторін ходу ( і деякою мірою периметру), використовуючи запропо-новану в роботі формулу

. (12)

Доцільно відзначити, що для полігонометрії 4 класу (1:25000) значного збільшення n не відбувається (див. табл.1) через невисоку точність кутових вимірів (). Навпаки, для полігонометрії 1 і 2 розрядів за формулою (12) для граничних периметрів 5 км і 3 км отримано великі значення n.

У роботі проведено статистичні дослідження двох вибірок нев’язок полігонометричних ходів (1:10000), що прокладені у 56 містах України. До першої вибірки включено 83 ходи світловіддалемірної полігонометрії, а друга мала 337 нев’язок ходів траверсної полігонометрії. За мірою косості і крутості за критеріями Колмогорова і Пірсона досліджуваний ряд нев’язок світловіддалемірної полігонометрії підпорядковується нормальному розподілу. Статистичні дослідження другої вибірки дали від’ємні результати, бо в ній великих за абсолютною величиною нев’язок є понад норму, і має місце “зрізаний розподіл”.

Таблиця 1

Гранична кількість n сторін у ході залежно від периметру [S]

З використанням світловіддалеміра СТ 5 (=10+510-6D)

T=25000, | T=10000, | T=5000,

M, м | [S], км | n | Q | M, м | [S], км | n | Q | M, м | [S], км | n | Q

0.16 | 8 | 16 | 3.1 | 0.25 | 5 | 40 | 3.6 | 0.30 | 3 | 40 | 4.3

0.20 | 10 | 16 | 3.6 | 0.25 | 10 | 9 | 7.1 | 0.30 | 6 | 9 | 8.5

0.24 | 12 | 16 | 4.0 | 0.25 | 12 | 5 | 4.1 | 0.30 | 8 | 4 | 6.0

0.30 | 15 | 17 | 4.7 | 0.25 | 15 | 3 | 3.3 | 0.30 | 10 | 2 | 4.5

0.30 | 20 | 8 | 4.7

З використанням світловіддалеміра 2СТ 10 (=5+310-6D)

T=25000, | T=10000, | T=5000,

M, м | [S], км | n | Q | M, м | [S], км | n | Q | M, м | [S], км | n | Q

0.16 | 8 | 17 | 5.4 | 0.25 | 5 | 42 | 6.5 | 0.30 | 3 | 42 | 7.8

0.20 | 10 | 17 | 6.6 | 0.25 | 10 | 10 | 9.8 | 0.30 | 6 | 9 | 13.4

0.24 | 12 | 17 | 8.0 | 0.25 | 12 | 5 | 7.8 | 0.30 | 8 | 4 | 11.4

0.30 | 15 | 18 | 8.8 | 0.25 | 15 | 3 | 5.8 | 0.30 | 10 | 2 | 7.8

0.30 | 20 | 9 | 8.5

Таким чином, відпрацьовану схему побудови міських полігонометричних мереж можна вважати задовільною при використанні сучасних електронних світловіддалемірів, що забезпечують великі значення Q, при яких значно зростає відношення М:. Крім того, враховуючи можливості збільшення кількості сторін у ходах, доцільно залишити для мереж згущення два, а не три ступені полігонометрії.

У другому розділі проведено дослідження і визначено шляхи підвищення точності та ефективності світловіддалемірної полігонометрії. Досліджено вид функції помилки світловіддалемірних вимірів за допомогою математичного опрацювання (з використанням поліномів П.Л. Чебишева) виробничих і експериментальних матеріалів отриманих з використанням різних віддалемірів на трьох континентах. Показано, що функцію помилки достатньо представляти прямолінійною залежністю, вперше запропонованою В.В. Величком.

При прокладенні полігонометрії лінії візування світловіддалеміра і теодоліта, як правило, не суміщенні. Тому розглянуто можливості і точність визначення за таких обставин горизонтальних проекцій S сторін полігонометрії за виміряною похилою відстанню D, кутом нахилу чи зенітною відстанню Z і отримано формули

, (13)

, (14)

, (15)

(16)

де - висоти теодоліта, візирної цілі, відбивача і віддалеміра.

Показано, що при вимірюванні висот з точністю 5-10 мм та Z чи з точністю помилками за приведення до горизонту сторін світловіддалемірної полігонометрії в більшості випадків можна нехтувати. При великих кутах нахилу помилки висот приладів не повинні перевищувати 5 мм, а зенітних відстаней (кутів нахилу) .

Модульоване випромінювання напівпровідникових світлодіодів світловіддалемірів супроводжується фазовою неоднорідністю в поперечному перетині пучка, яка виявляється під час вимірювання відстані. Послабленням впливу фазовості займались Попов І.А., Водеников Ю.Н., Кортєв Н.В., Татевян Р.А., Пик Л.І., Гільдербрант E. та інші вчені, але фазовість має індивідуальний характер і потребує подальшого вивчення та врахування.

У роботі проведено спеціальні дослідження фазовості методом сканування світлового променя по відбивачу за двома-чотирма діаметрами з вимірюванням відстані через кожні , починаючи з точки, яка відповідає максимуму відбитого сигналу. Виявилось, що при вимірюванні відстані різними частинами світлового пучка отримані результати можуть розрізнятись на десятки мм (при дослідженні ЕОТ 2000 навіть до 100 мм) і будуть помилковими, якщо не дотримуватись строгої однозначності наведення прийомопередавача на відбивач за максимумом відбитого сигналу. Такий суттєвий вплив фазовості до 100 мм виявлено вперше. Дослідження ряду моделей топографічних приладів свідчать про те, що фазовість властива всім світловіддалемірам.

Рис. 1. Зміна постійної приладної поправки світловіддалемірів СТ 5

з відстанню під впливом фазовості

Запропоновано досліджувати фазовість віддалеміра разом з визначенням його постійної приладної поправки на взірцевому базисі шляхом вимірювання багатьох інтервалів базису. За результатами таких вимірів будуються графіки (рис.1), які використовуються для введення поправок у виміряні відстані. Наш досвід показав, що втрати часу на отримання графіка поправок за фазовість несуттєві. Як виявилось, вплив фазовості проявляється на відстані до 1000 м.

У роботі проведено дослідження форми, стабільності й особливостей визначення та врахування циклічної помилки десятків топографічних віддалемірів у польових умовах на взірцевому базисі. Встановлено, що циклічна помилка топографічних віддалемірів може бути значною, досягаючи десятків мм. Форма і амплітуда її кривої не залежить від відстані, але змінюється в часі. Графік циклічної кривої доцільно будувати за вимірами на базисі і представляти апроксимуючою кривою (краще з допомогою поліномів П.Л.Чебишева). При цьому точність врахування циклічної помилки буде 1-2 мм.

Всі світловіддалеміри мають постійну приладну поправку, яка з часом міняється і її слід періодично контролювати й уточнювати. Враховуючи, що постійна приладна поправка має розмірність одиниці довжини і є одним з параметрів метрологічної атестації, в роботі показано, що найбільш строго і надійно її можна визначити на багатоцентровому взірцевому базисі.

Запропонована методика еталонування топографічних світловіддалемірів згідно якої для оптимального визначення їх постійної поправки доцільно:

1)

1)

1)

1)

Обробку результатів еталонування автоматизовано, а розроблені рекомендації сприяють підвищенню точності лінійних вимірів у міській світловіддалемірній полігонометрії у 1.5-2 рази.

У роботі вперше експериментально досліджено температурну помилку світловіддалемірів у польових умовах і в кліматичній камері фітотрона, встановлено її систематичний характер і розроблено рекомендації для послаблення і врахування. У двох великих містах було проведено багатоденні експериментальні світловіддалемірні виміри ліній полігонометрії з вимірами метеопараметрів. За критеріями Фішера і Кочрена та кореляційним аналізом показано, що точність світловіддалемірних вимірів може суттєво знижуватись через неврахування теплових впливів на прилад, особливо при високих температурах повітря. Для вивчення цього ефекту була використана кліматична камера Votsch (ФРН), призначена для моделювання різних метеоумов. Топографічні віддалеміри встановлювали в камері і вели лінійні виміри серіями в діапазоні температур -50+500С з кроком 50 і освітленні 0, 30000, 70000 лк. Стабільність основної масштабної частоти контролювалась дистанційно електронним частотоміром. Для кожного віддалеміра отримано графік зміни відстані (до 12 мм) близький до прямої. Дослідження були продовжені на взірцевому базисі весною при 00С і літом в жарку погоду. Існування температурної залежності підтвердились.

Пізніше Е.К. Честкін, виконуючи протягом року еталонування десятків топографічних світловіддалемірів на взірцевому базисі 2-го розряду в діапазоні температур +210С230С, також виявив, що постійна віддалемірів функціонально залежить від впливу температури повітря на прилад. На підставі проведених у роботі досліджень рекомендовано враховувати виявлену систематичну помилку за графіком. Для послаблення її впливу еталонування приладів на базисі доцільно виконувати коли температури близькі до робочих. В ясну жарку погоду прилад треба захищати від прямої сонячної радіації. Доцільно у паспорті приладу мати графік систематичної температурної помилки.

Турбулентна атмосфера впливає на процес вимірювання ліній фазовими світловіддалемірами і мають місце фазові затримки сигналу. Експериментально показано, що найбільш достовірними і близькими до істинних значень сторін будуть мінімальні результати їх вимірів.

У третьому розділі досліджено проблему метрологічного забезпечення світловіддалемірних вимірів і побудови взірцевих геодезичних базисів в Україні. Необхідність періодичного еталонування топографічних віддалемірів і електронних тахеометрів, які є найбільш розповсюдженим засобом лінійних вимірів, пов’язана з отриманням уточненої величини приладної поправки, яка враховує зміни основної масштабної частоти, нестабільність постійної поправки в часі, вплив фазовості випромінювача, нестабільність циклічної помилки, теплові впливи на віддалемір, рівень сигналу тощо. Тобто для передачі одиниці довжини від еталону віддалемірам і для забезпечення єдності лінійних вимірів, доцільно створити своєрідний метрологічний моніторинг. А для цього потрібна розвинена мережа регіональних взірцевих геодезичних базисів 2-го розряду (до одного- двох на область). Важливо також створити і національний базис 0-го розряду.

Ефективність і якість еталонування залежить від стабільності інтервалів базису, його конструкції, типу центрів, довжини і місця розташування та інших причин. Важливо, щоб центри були зручними в експлуатації і прискорювали процес еталонування при невисокій вартості виготовлення і закладки. Актуальним є і питання ефективного забезпечення необхідної точності виміру інтервалів базису і оптимальної періодичності повторних вимірів.

У роботі запропоновано будувати базис багатоцентровим з інтервалами, кратними півхвилі модульованого випромінювання, що дасть можливість (при еталонуванні світловіддалемірів) вести їх виміри на одному фазовому куті і підвищити точність еталонування. У першому інтервалі розташовуються точки (через 1 м) “фазової дільниці” для спільного визначення циклічної помилки і постійної приладної поправки. У разі потреби детальнішого вивчення циклічної помилки через 180 чи навіть 90 доцільно використовувати запропоновану дисертантом спеціальну базисну лінійку. Для топографічних віддалемірів доцільно мати базис довжиною 1 км (макси-мально 1.5 км), оскільки встановлено (розділ 2), що фазовість переважно впливає на точність коротких віддалей.

Для закріплення точок базису вперше запропоновано прості, дешеві, стійкі і зручні в експлуатації одинарні і подвійні металеві трубчасті знаки з площадкою для швидкого і точного (до 0.3 мм) встановлення приладів. Нижня частина знака бетонується до межі промерзання грунту. Одинарними знаками доцільно закріпляти точки “фазової дільниці” взірцевих базисів, а основні пункти - подвійними знаками. Зовнішня труба захищає основну трубу від пошкоджень і температурних деформацій. Для дослідження стійкості трубчастих знаків проводились щорічні високоточні виміри метрових інтервалів “фазових дільниць” взірцевих базисів. Максимальна зміна за 10 років досягла 1.9 мм, а середня - 1 мм, що відповідає вимогам взірцевих базисів 2-го розряду, і з врахуванням частоти метрологічного контролю базисів свідчить про достатню стійкість трубчатих знаків. Досліджено вплив прямої сонячної радіації на тимчасовий крен трубчатих знаків і встановлено, що він буває лише в одинарних знаків (максимально до 1 мм).

Важливе значення має періодичність повторних контрольних вимірів взірцевих базисів. Спираючись на накопичений досвід, на думку дисертанта інтервали базису треба повторно вимірювати 1-2 рази в перші три роки після закладки. При стабільному положенні центрів базису час між наступними контрольними вимірами збільшується до 5 років.

Для старих базисів, закріплених центрами на рівні землі, центрування приладів доцільно виконувати з використанням нашого пристрою для центрування геодезичних приладів. Цей пристрій забезпечує швидке і точне центрування і одночасно служить штативом.

”Фазову дільницю” взірцевого базису пропонується точно і надійно виміряти 2-ма і більше інварними стрічками і контрольною лінійкою двічі в прямому і зворотному напрямках. При цьому забезпечується точність виміру метрових інтервалів 0.1 мм.

У світовій практиці лінії базисів вимірюють інварними дротами (точність 110-6D), інтерферометром Вяйсяля (точність 0.110-6D), високоточними віддалемірами МЕ 3000, ДК 001, GR 204, прецизійним лазерним приладом ПЛД-1М (Харків, ДНВО “Метрологія”) та іншими (точність 10.110-6D). У роботі вперше запропоновано використання GPS-методу для вимірювання і контролю ліній взірцевих базисів. Дослідження проводились на двох базисах 2-го розряду в різні пори року і в різних умовах проходження сигналів супутників з використанням двочастотних приймачів фірми Trimble, статичної та швидкої статичної методик. Один базис був розташований на відкритій місцевості, а другий був закритий рослинністю і проходив уздовж одноповерхових складських приміщень, що обмежувало поле зору антен приймачів і погіршувало умови проходження сигналів.

На відкритому базисі проведено три серії незалежних спостережень (в різні місяці). Найбільше вимірів припадає на третю сесію. Відхилення виміряних ліній від еталону при статичній методиці не перевищували 4 мм, а середні квадратичні помилки, отримані за істинними помилками, становлять m1=2 мм (третя сесія) і m2=1.8 мм (з трьох сесій). Звичайно, в m1 і m2 є помилки вихідних даних, бо лінії базису були виміряні 9 років тому. За внутрішньою збіжністю помилка була 1.4 мм. При використанні швидкої статистичної методики точність нижча - m1=3.1 мм, m2=3.3 мм.

На базисі з перешкодами експериментальні виміри відбулися ранньої весни, коли дерева були без листя і сигнали супутників проходили тільки крони дерев, і влітку. При використанні статичної методики отримано точність m1=2.8 мм та m2=6.4 мм.

Таким чином, показано, що на регіональних багатоцентрових взірцевих геодезичних базисах 2-го розряду, розташованих на достатньо відкритій місцевості можна застосовувати двочастотні приймачі GPS для вимірювання їх інтервалів статичною методикою 2-3-ма незалежними сесіями. Виміри ведуться швидко і ефективно із забезпеченням необхідної точності (1.510-6D), яку регламентує Державна перевірочна схема для засобів вимірювання довжин 24-75000 м. На точність GPS-спостережень впливає розташування і кількість використаних супутників.

У світовій практиці перший цикл вимірювання взірцевих базисів, як правило, ведуть двома методами. Тому пропонується паралельно з GPS використовувати прецизійний віддалемір, наприклад ПЛД-1М. Наступні контрольні виміри взірцевого базису слід проводити з допомогою GPS-методу 1-2 рази в перші 3 роки функціонування, а при стабільності центрів базису час до наступного контрольного виміру збільшувати до 5 років.

Сформульовано ряд конкретних і обрунтованих принципових технологічних рекомендацій для побудови та вимірювання взірцевих базисів і метрологічного забезпечення світловіддалемірних вимірів, які сприяють підвищенню ефективності і точності робіт, отримали схвальну оцінку фахівців і можуть доповнити існуючі нормативні документи.

Четвертий розділ присвячений дослідженню і врахуванню горизонтальної рефракції в міській тріангуляції та полігонометрії. В міській тріангуляції її досліджували Н.В. Яковлев, А.Л. Островський, Л.С. Хижак, Р.М. Тартачинський, а в міській полігонометрії А.С. Зюзін, А.Л. Островський, Л.Ф. Мартиненко, А.С. Юношев, Д.Ш. Міхилев, А.Г. Ткаченко, Р. Янева, П.Бакалов, Г.Брись та інші вчені, але врахування рефракції залишається актуальною проблемою.

Рефракційні поля міст суттєво відрізняються, але проводити дослідження для кожного міста окремо немає можливості. Тому в роботі вперше здійснено класифікацію міст (табл.2) за кліматичними умовами та характерними особливостями, що впливають на утворення полів рефракції над містами.

Таблиця 2

Групи і параметри класифікації міст за кліматичними умовами та характерними особливостями

№ | Фактори класи- | Групи і параметри класифікації

фікації міст | I | II | III

1 | Середньомісячна тем-пература повітря | +250С і більше | +100С250С | менше +100С

2 | Величина міста | понад 1 млн. | 0.51 млн. | менше 0.5 млн.

3 | “Рельєф” міста | до 50 м | 50100 м | більше 100 м

4 | Територіальне розташування | континентальні міста | прибережні міста

З врахуванням встановленої класифікації здійснено експериментальні геодезичні та метеорологічні виміри в містах, типових для окремих груп і розроблені рекомендації для врахування рефракції.

Дослідження горизонтальної рефракції над прибережним містом (Одеса за класифікацією належить до груп 1,II; 2,I; 3,I; 4,II) проведені уперше. Експериментальна мережа (сторони 2-8 км) включала 7 пунктів тріангуляції, на багатоповерхових будинках (один на землі за містом) і 15 метеопостів розташованих на висотах візирних променів. Дослідження виконували в липні-серпні переважно в ясну і жарку погоду (до +350С) при найбільших різницях температур Т “центр-околиця”, що переважно впливає на утворення рефракційних полів. Кутові і метеорологічні спостереження здійснювали цілодобово, синхронно серіями по 2-3 доби (всього 10 діб) за розробленими програмами з максимально можливою точністю. Кути вимірювали теодолітом Т 05. На метеопостах вимірювали температуру і вологість повітря психрометрами на висотах 2 і 6 м, визначали швидкість і напрями вітру, тиск повітря.

Усього виконано понад 680 прийомів кутових вимірів, складено майже 300 карт ізотерм температурного поля міста, побудовано графіки добового ходу горизонтальних кутів (фрагменти на рис. 2, 3) і проведено їх детальний аналіз.

Уперше встановлено, що над приморським містом утворюється стійке поле рефракції, яке принципово відрізняється від поля над континентальним містом і

Рис.2. Карти ізотерм температурного поля над містом Одеса при ясній погоді. Ізотерми проведені через 0.20С

Рис. 3. Графіки добового ходу горизонтальних кутів на пункті I