Барометрическое нивелирование кратко и понятно
Обновлено: 05.07.2024
Барометрическое нивелирование основано на свойстве барометра изменять свои показания с изменением его положения по высоте. Это свойство — следствие разницы в давлении атмосферы в точках, имеющих разные высоты.
Для вычисления превышений между нивелируемыми точками имеются полные и сокращенные барометрические формулы. В практике обычно пользуются сокращенными формулами и составленными для них барометрическими таблицами разных авторов — М. В. Певцова, А. С. Чеботарева, Л. С. Хренова, имеются также номограммы.
Барометры применяются ртутные, барометры-анероиды (пружинные и беспружинные), дифференциальные (системы Д. И. Менделеева). Ртутные барометры применяют на геодезических работах лишь в качестве стационарных приборов, с показаниями которых сличают показания переносных приборов — анероидов и дифференциальных барометров. Показания этих последних должны быть приведены путем введения соответствующих поправок к показаниям ртутного барометра, т. е. к показаниям, выраженным в миллиметрах ртутного столба. С помощью ртутных барометров н анероидов можно определять не только превышения между точками, но и непосредственно отметки их относительно уровня моря. Дифференциальные барометры предназначены для определения превышений.
Точность барометрического нивелирования значительно ниже точности геометрического и тригонометрического. Погрешности в отсчетах по миллиметровой шкале анероида могут достигать 0,2 деления шкалы, что означает погрешность в высоте точки 2 м. Кроме того, точность нивелирования снижается вследствие непостоянства атмосферного давления в одной и той же точке местности. Для повышения точности барометрического нивелирования в настоящее время пользуются микробарометрами, представляющими собой пружинные анероиды с особым оптическим устройством для отсчиты-вания по шкале с точностью 0,03—0,05 мм, т. е. 0,3—0,5 м высоты. Баронивелир конструкции В. В. Шулейкина (БН-4) позволяет фиксировать разности атмосферного давления с точностью до ±0,01 мм рт. ст.
Нашей промышленностью изготовляются анероиды БАММ, МД-49-2, МД-49-А, пружинные микробарометры ОМБ-1, МБНП, МБ-63, ОМБ-ЗП и струнный микробарометр СМБ. Сконструирован баропрофилограф [98] с радиотелеметрической системой, который позволяет автоматически получать продольный профиль пути движения автомашины со скоростью до 40 км в час, со средней квад-рагической погрешностью в превышении ±0,15 м, при длине пути 2,5 км и разности высот до 4,5 м.
Борьба с влиянием непостоянства давления атмосферы ведется путем ограничения длины маршрутов нивелирования до 5 км; замыкания маршрутов в кольцо и распределения разности давления в первой точке (до начала и после прохождения маршрута) между всеми точками маршрута; устройства постоянной станции для наблюдений за ходом измерения атмосферного давления во время прохождения маршрута и последующего введения поправок в показания рабочих барометров; производства нивелирных работ в спокойные периоды атмосферного давления, в безветренную погоду, без гроз и ливней; синхронизации отсчетов на опорной и определяемой точках. С соблюдением всех этих условий можно ожидать, что погрешность в превышении между крайними точками не превысит 2 м. При несоблюдении этих условий погрешность может выходить за пределы 10 м.
В строительной практике барометрическое нивелирование может найти применение в горных и таежных районах для определения высот точек при геологических съемках, определения высот и уклонов горных рек в начальной стадии проектирования, определения в первом приближении отметок строительных площадок, трасс сооружений линейного типа, перенесения на местность проектного контура водохранилища по промежуточным отметкам с целью своевременной очистки ложа будущего водохранилища от леса. Последняя из указанных работ выполнялась с успехом на территории водохранилища Братской ГЭС на р. Ангаре, причем синхронизация отсчетов достигалась с помощью радиопередатчиков.
В данной статье рассмотрим понятие, виды нивелирования, где и как они применяются. Слово заимствованно из немецкого (nivelieren) и французского (niveleur) языков.
Что такое нивелирование
Нивелирование – комплекс замеров, применяемых в геодезии. Оно используется, чтобы определить перепад высот между двумя или более точками. Таким образом выявляется превышение.
Применяя нивелирование и сопоставляя результаты измерений, можно в точности отобразить рельеф на топографических картах, разработать проекты организационно-хозяйственной деятельности.
Прибор, применяемый для измерения разности высот, называется нивелиром. Его устанавливают на подставку и винтами регулируется уровень.
Подразделяются на высокоточные (для работ I и II классов), точные (III и IV), технические (инженерно-технические исследования).
Виды нивелирования
В настоящий момент применяют семь разновидностей выполнения измерений. Каждый вид зависит от конкретного случая.
Геометрическое нивелирование
Чтобы выполнить такое измерение, нужен горизонтальный луч визирования и отсчетная шкала. Такой луч генерируется при помощи нивелира, а отсчетной шкалой является рейка со шкалой.
Такой вид самый распространенный и не сложный. Точность данного вида велика и риск в просчетах достигает максимум 1 мм на 1 км расстояния. Такой вид используется при геодезических работах для нивелирования поверхности.
По способу определения планового положения снимаемых очертаний и нивелируемых точек выделяют следующие методики нивелирования поверхности:
по квадратам (при условии гладкой местности);
по параллельным линиям (в лесистой местности);
по магистралям (при выраженном рельефе).
Барометрическое нивелирование
Метод необходим, чтобы измерить превышение перепада атмосферного давления. Измерения проводятся в разных отметках необходимой территории.
В данном методе пользуются барометр. Им измеряют давление и, сопоставляя показатели, определяется превышение.
В барометрическом методе нивелирования точность исследований невысокая, так как вид исследований зависит от погодообразования, и погрешность может варьироваться от полуметра до двух.
Данный метод применяется на начальном этапе работ.
Тригонометрическое нивелирование
Используя такой вид, вычисление превышения измеряют путем наклонного угла визирования к горизонту.
Чтобы измерить вертикальные углы, применяют геодезическое оборудование: теодолит – чтобы определить угол наклона, дальномер – измерить расстояние.
Погрешность – максимум 40 мм на 100 м. Ограниченно применение в горной и холмистой местности.
Гидростатическое нивелирование
Вид измерения, который основывается на методе свойства сообщающихся сосудов.
Жидкость в емкости устанавливается по одному уровню, а поверхность расположена под прямым углом по направлению к силе тяжести, что дает возможность определить превышение.
Применяется, чтобы получить небольшие измерения. Погрешность сопоставима с геометрическим нивелированием.
Стереофотограмметрическое нивелирование
Служит для вычисления высот путем измерения стереопар фотографической съемки одной местности при помощи наземной (теодолит со встроенным фотоаппаратом) и летательной техники (аэрофотоаппарат).
Это основной метод, применяемый для топографии и картографии местности.
Механическое нивелирование
Применяется в качестве контроля расположения железнодорожных дорог и прочих линейных конструкций.
При помощи особых датчиков, зафиксированных на транспорте, на листе вырисовывается профиль местности.
Радиолокационное нивелирование
Основа метода заключается в получении абсолютных высот с летательных аппаратов, используя специальные высотометры.
Основные способы нивелирования
Выделяют пару способов, они отличаются от положения нивелира в нивелируемых точках:
Нивелирование из середины. Нивелир ставится посередине между заданными точками, в самих точках рейки. Точка А – задняя, В – передняя.
Визирная ось нивелира приводится в горизонтальное положение и поочередно наводится на А, а потом на В, получаются расчеты а и b. Формула превышения между точками: h = a — b;
Нивелирование вперед. Над т. А устанавливается нивелир таким образом, чтобы визир находился на одной отвесной линии с точкой. Рейка устанавливается на т. В.
Измеряется высота i над точкой А и берется отсчет b по рейке. Формула превышения между точками: h = i — b.
Выполняя последовательное нивелирование – получается нивелирный ход.
Нивелирование проводится, чтобы изучить рельеф, определить высоту точек в стадии проектировании, применяется при сооружении и эксплуатации инженерных конструкций.
Показатели нивелирования вносят огромный вклад в решении главных научных целей не только в геодезии, но и в других науках о Земле.
Барометрическое нивелирование или измерение высот — один из методов нивелирования, основанный на установленной Блезом Паскалем в 1647 связи давления воздуха с высотой точки над уровнем моря (Барометрическая формула).
Нивелирование даёт средство наносить на планы ряды возвышений и понижений или профили местностей по определенным направлениям. Если для нивелирования употребляются геодезические инструменты, то оно называется геодезическим, если барометры — то барометрическим. Для измерения высоких гор употребляются особые приёмы и приборы; способ вычисления — тригонометрический, и само измерение называется этим словом. Есть также барометрический способ определения больших высот. Перенесение барометра с одного места на другое, возвышенное над первым на 10 м, сопровождается понижением ртути приблизительно на 1 млн, но дальнейшее поднятие еще на 10 метров производит несколько меньшее понижение ртути, а следующее поднятие — еще того меньшее. Измерение давления атмосферы с высотой усложняется его темпрературой, так как холодный воздух тяжелее теплого. Вдобавок пары воды, всегда содержащиеся в воздухе, количественно изменяются от многих причин, действующих иногда вместе, иногда отдельно, что опять влияет на атмосферное давление. Поэтому зависимость величины понижения ртутного столба в барометре с высотой места, на которое он перенесен, очень сложна, и вычислить возвышение одного места над другим из показаний барометра чрезвычайно трудно, коль скоро эти два места значительно удалены одно от другого. Эта трудность ещё увеличивается, если в одной местности происходят перемены в атмосфере, не достигающие другой местности. В таких случаях приходится принять в расчёт среднюю высоту ртутного столба в каждой из сравниваемых местностей, выведенную из многолетних наблюдений. Для наблюдения высоты места из барометрических наблюдений предложено несколько формул; здесь приводится одна, выведенная Лапласом:
Z = 18336 метров (1+0,002845cos2φ)[1+(t+t1)/500]log(H/h).
В этой формуле буквой Z означено искомое возвышение одной местности, в которой высота барометра есть H миллим. над другой, в которой в то же время высота ртути есть h мил., температура в первой местности есть t°, во второй t°1 — стоградусного термометра; буквою φ означена широта места.
По вставке в эту формулу величин, полученных наблюдениями, и по сделанию всех вычислений получится высота (Z) одной местности над другой в метрах. Есть другая формула, выведенная Бесселем и пополненная Плантамуром; еще одну предложил Бабине. Вообще очень многие ученые старались улучшить способы вычисления высоты места на основании наблюдений Барометрического нивелирования. Все подобные способы и формулы названы гипсометрическими. Они послужили для определения высот очень многих гор, но сравнения найденных так. обр. чисел с определенными точным тригонометрическим путем показали, что гипсометрические формулы приводят к ошибкам, которые невелики только в случае близости сравниваемых пунктов; определить же с некоторой точностью высоту над поверхностью моря некоторой части материка, очень удаленной от берега, по этим формулам нельзя, даже если пользоваться, как было сказано выше, средними высотами барометра, определенными из продолжительных наблюдений. Такие сравнения были, между прочим, сделаны русским академиком Э. Х. Ленцем для Каспийского и Азовского морей. В случае таких больших промежуточных расстояний оказывается, что в разные времена года получаются различные высоты; поэтому теперь есть много противников барометрического нивелирования между точками, весьма отдаленными. С другой стороны, нивелирование небольших высот и на небольших расстояниях приобретает значительное распространение благодаря последним улучшениям в устройстве анероидов (см. это слово). В анероидах, имеющих форму металлической коробки с волнистым или желобчатым верхним дном, из которой вытянут воздух, от изменения атмосферного давления это дно более или менее вдавливается или поднимается; движение дна передается посредством механизма, состоящего из рычагов и колес, стрелке, показывающей на циферблате цифры, соответствующие высоте ртутного столба в барометре. Во многих анероидах движение стрелки вдвое и втрое значительнее движения ртутного столба в барометре, так что при восхождении на такие малые высоты, для которых понижение ртути с трудом может быть замечено, — стрелки анероидов могут передвигаться очень значительно; в этом можно убедиться, переходя из одного этажа дома в другой с ртутным барометром и чувствительным анероидом. Надо только знать, что в продажу поступают анероиды очень различного достоинства. Анероиды Ноде (Naudet) с циферблатом и стрелкой считаются лучшими; более простого устройства хорошие анероиды, напр., Рейтца, снабжены микроскопом для измерения очень малых движений указателя. Во всяком случае анероиды должны быть от времени до времени сверяемы с нормальными барометрами, вдобавок при различных температурах, так как одно нагревание и охлаждение анероида может сообщить стрелке значительное движение, если только в нем нет специальных приспособлений для уничтожения влияния температур. Самое плохое при употреблении анероидов для серьёзных целей — это возможность нечаянного изменения или повреждения его, которое не лишит стрелку движения, но может долгое время оставаться незамеченным и будет причиной многих ошибок в наблюдениях.
Пригодность анероидов для нивелирования доказана опытом, но для той же цели может служить ещё один прибор, ещё большей чувствительности. Происходящие в атмосферном воздухе небольшие колебания, не указываемые обыкновенным барометром, очень заметны на простом приборе, который может быть сделан даже домашним образом. Если налить в стклянку немного какой-нибудь жидкости и потом закупорить пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка, идущая до дна стклянки, то жидкость, наполняющая часть трубочки, будет приходить в движение при всяком изменении давления атмосферы, так как оно сопровождается увеличением или уменьшением объема воздуха стклянки. Но этот объем будет изменяться также и от очень малых изменений температуры, и потому стклянка должна быть окружена дурными проводниками теплоты (гагачьим пухом, водой).
При написании этой статьи использовался материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).
Этот метод, уступая по точности тригонометрическому и геометрическому, успешно применялся в XIX в. русскими географами, естествоиспытателями и путешественниками во время экспедиций в малоизвестные районы нашей и сопредельных стран. Особенно эффективно барометрический метод применялся генерал-майором М.В. Певцовым - видным военным географом и путешественником 61 . В своих экспедициях по Сибири, Китаю и Монголии он пользовался барометрами двух типов: постоянного Фортэня, который оставался на базовой стоянке с уверенно определенной высотой, и переносным Паррота, с помощью которого проводились наблюдения атмосферного давления в разных местах по маршруту следования. Оба барометра и находящиеся при них термометры Реомюра до и после окончания экспедиции тщательно сравнивались между собой в результате многочисленных одновременных наблюдений. Термометры также сравнивались с эталонным термометром какой-либо ближайшей метеорологической станции.
В том же году была совершена первая военно-географическая экспедиция с участием М.В. Певцова в Джунгарию (Китай). В этом и в других последующих путешествиях он пришел к важному выводу, что исследование малообжитых и отдаленных районов в гипсометрическом отношении не может быть основано только на пунктах, высоты которых определяются точными методами. Учитывая слабую астрономо-геодезическую обеспеченность этих районов, а также существенные временные затраты на инструментальные нивелировки, рассчитывать на скорое получение большого количества высот указанными методами не приходилось. Успешно решить эту задачу в то время можно было только с использованием барометрического нивелирования - не так точно, зато быстро и с большим площадным охватом, как рекомендовал выполнять съемки в свое время И.К. Кирилов. Правда, особой надежностью определения высот этим методом не отличались: вследствие несовершенства используемых методик там, где высоты для рисовки рельефа горизонталями определялись вначале с помощью барометра, затем передавались и сгущались кипрегелем, невязки по высотам достигали иногда до 40 м и более 66 . Однако такие определения для создания географических карт малоизученных районов были зачастую единственно возможными и оправданными.
М.В. Певцов внес весомый вклад в дело повышения точности барометрического нивелирования 68 , проанализировал практически все его разновидности, вывел упрощенные рабочие формулы, составил специальные таблицы, облегчающие процесс обработки результатов наблюдений. Например, рассматривая способ одновременных наблюдений, он пришел к выводу, что последний дает удовлетворительные результаты только для точек, отстоящих не далее 55 верст от временной станции и разнящихся с ней по высоте не более чем на полверсты. При нивелировании больших и малых площадей он рекомендовал определять атмосферное давление не анероидом или ртутным барометром, а дифференциальным барометром Д.И. Менделеева. Обобщенные результаты исследований М.В. Певцова по барометрическому нивелированию нашли отражение в соответствующей инструкции, вышедшей в свет в 1896 г. 69
Работы генерал-майора М.В. Певцова по барометрическому нивелированию представляли большую научно-практическую ценность и поэтому нашли широкое применение в нашей стране в более позднее время, на качественно новом уровне. Так, в первой половине XX в. для проведения барометрического нивелирования были сконструированы новые более совершенные приборы и разработаны соответствующие методики. Составление географических карт отдаленных территорий и особенно районов Заполярья стало возможным, отчасти, благодаря широкому применению барометрического нивелирования. В Арктике, например, высоты ряда геодезических пунктов были определены методом барометрического нивелирования по наблюдениям, проведенным на борту самолета. Таким образом, многие основные теоретические положения, разработанные военным географом и астрономом М.В. Певцовым, надолго сохранили свое практическое значение 70 .
56. Давление можно было вычислить и по температуре кипения воды с помощью гипсотермометров, которые отличаются от обычных тем, что по ним можно определить только максимальные и минимальные значения температуры. Подогрев до кипения дистиллированной или дождевой воды осуществляется в небольшом сосуде. Для определения соотношений между кипением воды и атмосферным давлением имеются специальные таблицы. Гипсометры удобны для путешествий, поскольку легче, чем ртутные барометры, но по точности они хуже /Витковский В.В. 1940. С. 549-553/.
57. Витковский В.В. Указ. соч. С. 529-530.
58. Папковский П.П. Указ. соч. С. 115.
59. Болотов АЛ. 1836.
60. Витковский В.В. 1904.
61. Сергеев С.В., Долгов Е.И. Указ. соч. С. 513.
62. Селиханович В.Г. 1956. С. 13.
63. Менделеев Д.[И.]. 1873. С. 296-301.
64. Хренов Л.С. Указ. соч. С. 140.
65. Менделеев [Д.И.]. 1876.
66. Папковский П.П. Указ. соч. С. 135.
67. Певцов М.В. 1896. С. 2.
68. М.В. Певцов выполнил анализ источников ошибок и разработал предложения по уменьшению их влияния на точность результатов определений. На основе обработки большого количества наблюдений, сделанных как лично им, так и другими исследователями, он пришел к выводу, что главным источником грубых ошибок, обнаруживаемых даже в малых разностях высот отдаленных пунктов, является так называемое неравновесие атмосферы /М.В. Певцов. 1896. С. 2/.
Читайте также: