Искусство наблюдения

10.03.2021

(угловые измерения)

Ошибки измерений зависят:

от свойств самого наблюдателя,

от качеств инструмента,

от применяемых методов измерений,

от «внешних» причин, то есть условий местности, времени дня, условий метеорологических и т.д.

Добиваясь точных и высокоточных результатов, геодезист должен считаться со всеми этими влияниями, знать причины возможных ошибок и уметь сводить их к минимуму в своей практическая работе.

Современные геодезические приборы, например, электронные тахеометры, оставляют за человеком — специалистом — практически только одну функцию — функцию наведения на цель. Всё остальное инструмент делает «сам». Не нужно считывать отсчеты с лимбов — отсчетные микроскопы отсутствуют, а вместе с ними «отсутствуют» и их ошибки… Но вот процедура наведения нити (визирной оси прибора) на цель остаётся прежней, и она целиком в руках специалиста: здесь надо учитывать и «мертвый ход» винта, и параллакс нитей, и «расстройство оптики» при изменении резкости на различных расстояниях до целей, (а ещё существует ЛИР — лично-инструментальная разность…). И ещё надо суметь учесть «те самые внешние» причины — условия местности, времени суток, условия метеорологические (та же рефракция…).

И не всякий владеет этим искусством — искусством наблюдателя, не всякому это искусство даётся…

Различают три источника погрешностей при наблюдениях: личные; приборов; погрешности, вызванные влиянием внешней среды.

Личные:

— одним из параметров, зависящих от физиологических возможностей глаза, является наименьший угол, под которым наблюдаемый предмет становится видимым глазу наблюдателя. Этот угол во многом зависит от яркости освещения объекта. Так, от резко различной яркости освещения объектов наблюдения влияние личных погрешностей на измеряемый угол может достигать 1.5ʺ (примерно 1 мм на 100 м). Поэтому надо стремиться, чтобы яркость целей по всем наблюдаемым направлениям была примерно одинакова. Во всяком случае, чтобы не было резко различной яркости.

— Ошибка визирования: возможность глаза замечать смещение точки – визирной цели — от середины двух штрихов биссектора. Точность визирования зависит от целого ряда причин: увеличения трубы, яркости и ясности изображения, углового расстояния между нитями биссектора, диаметра отверстия объектива и, наконец, может иметь место постоянная личная погрешность наблюдателя (см.ЛИР).

Погрешности визирования значительно ослабляются многократными наблюдениями каждого направления.

— Явление фаз — наличие освещенной и теневой части визирной цели: возникает вследствие неравномерного освещения визирной цели солнечными лучами (в помещении — искусственным светом). Различные стороны визирной цели — визирного цилиндра или болванки, или тела круглой вешки (когда не виден кончик пики – нижнего основания вешки) — освещены неодинаково. Глаз наблюдателя неодинаково воспринимает различно освещенные стороны визирной цели (вешки) и ошибочно оценивает положение её геометрической оси (середины). Наблюдатель невольно наводит биссектор сетки нитей по линии, смещенной в сторону лучше освещенной части.

Погрешности приборов:

— параллакс сетки нитей: для полного устранения влияния параллакса глаз наблюдателя при визировании должен находиться на продолжении визирной оси трубы.

— Ошибка наведения: для уменьшения этой ошибки принимают за правило — наведение зрительной трубы на цель всегда заканчивать только ввинчиванием винта наводящего устройства алидады. Ошибка наведения и ошибка визирования — главные составляющие ЛИР: лично-инструментальной разности. С одной стороны — разные наблюдатели «выдают» разные ошибки при работе с одним инструментом, либо – один и тот же наблюдатель, при работе с разными инструментами, получает результаты с разными ошибками.

— Коллимационная ошибка вызывается неперпендикулярностью визирной оси к оси вращения трубы: ее влияние исключается при наблюдениях при двух положениях кругов. Погрешность угла, обусловленная коллимационной ошибкой, измеренного при одном положении круга, будет (также) равна нулю при равенстве зенитных расстояний целей.

Если принять зенитные расстояния близкими 90°, то формула коллимации С будет: 2С = КЛ-КП±180°.

Величина С в течение длительного времени остается постоянной. Колебания же 2С полностью отражают погрешности отсчетов, погрешности визирования и азимутальные сдвиги инструмента, то есть качество работы наблюдателя, влияние внешней среды и поведение штатива и подставки/трегера прибора. Поэтому колебания 2С являются отличной характеристикой качества работы и условий наблюдений.

На колебания 2С могут сказаться и другие причины, например изменение температуры теодолита и другие погрешности прибора. Колебания 2С от этих причин будет тем меньше, чем ближе к нулю сама величина С. Согласно Инструкции, величина двойной коллимационной ошибки не должна быть более 20ʺ, но её следует иметь меньше этой предельной величины. Рекомендуется иметь 2С не более 5-6ʺ.

— Наклон оси вращения трубы: при зенитных расстояниях, близких к 90°, погрешность в отсчете, вызванная наклоном оси вращения трубы, пренебрегаемо мала.

— Наклон оси вращения теодолита/тахеометра: наклон вертикальной оси вращения приводит к наклону оси вращения трубы (горизонтальной оси), в результате чего получается неправильный отсчет по лимбу. Погрешность в отсчетах, вызванная неправильным положением оси вращения алидады, не исключается ни в среднем из отсчетов (КЛ и КП), ни в значении угла, получаемого как разность двух направлений. Поэтому, если зенитные расстояния наблюдаемых пунктов отличаются от 90° на величину более 2°, то отсчеты нужно исправлять за наклон оси вращения.

— Люфт подъёмных винтов: вследствие хотя и малого, но неизбежного люфта подъёмных винтов, подставка/трегер инструмента, а значит и горизонтальный круг, могут сместиться по азимуту. Величина азимутального смещения круга, очевидно, зависит от качества регулировки подъёмных винтов, силы трения при вращении алидады и размера угла, на который повернута алидада.

Азимутальные сдвиги круга, вызванные люфтом подъемных винтов, не могут быть исключены ни методикой наблюдений, ни поправками в отсчёты.

Для уменьшения влияния азимутальных сдвигов методикой угловых измерений предусмотрено перед началом наведения на первую визирную цель выполнять алидадой несколько свободных оборотов в ту сторону, в которую она будет вращаться при исполнении полуприёма.

Для высокоточных теодолитов, применяемых в сетях 1-3 класса, проводятся испытания/исследования систематической погрешности угла, вызванной азимутальным сдвигом из-за остаточного люфта подъёмных винтов. Хорошим контролем такого испытания является постоянство величины двойной коллимационной погрешности (колебания которой не должно превышать 5.0ʺ).

Погрешности, вызванные влиянием внешней среды: это наиболее существенные погрешности, зависят они от качества изображений, колебания изображений, рефракции, изменения температуры прибора или неравномерного нагрева его отдельных частей, от ветра, кручения знака/штатива:

— рефракция вертикальная может искажать зенитные расстояния на две минуты и более. За её влияние в измеренные вертикальные углы вводят поправки. Величины этих поправок зависят от коэффициента рефракции, называемого также коэффициентом земного преломления, и от расстояния до наблюдаемого пункта. Коэффициент рефракции многократно определялся на практике. Обычно его принимают равным 0.14. В течение дня он может колебаться от 0.1 до 0.2. В близполуденное время коэффициент рефракции имеет наименьшее значение и наименьшую общую скорость изменения.

Рефракцию – ее абсолютную величину – можно уменьшить, используя свойства воздушных слоев, а именно: известно, что в приземном слое поверхности раздела воздушных слоев имеют тенденцию быть параллельными поверхности земли, скатам местности. Следовательно, применяя равные высоты для визирных марок и станции — работая в одном слое, — мы минимизируем влияние рефракции.

— Боковая рефракция может достигать 0.5-0.7ʺ при обычных условиях; при неблагоприятных условиях 5-7ʺ, и при особо неблагоприятных условиях 10ʺ. Величина боковой рефракции по каждому направлению непрерывно изменяется как в течение суток, так и при переходе от одних суток к другим, при перемене времени года. В одно и то же время она может быть одинаковой и различной по разным направлениям с одного пункта и в разных точках Земли. Днем и ночью боковая рефракция имеет разные знаки. Величина рефракции зависит от условий погоды и условий прохождения визирного луча. Максимальной величины боковая рефракция достигает в безветренные ясные жаркие летние дни. В пасмурную и прохладную погоду при наличии хотя бы небольшого ветра ее влияние ослабевает (следовательно, оптимальная погода для измерений – пасмурная и прохладная с небольшим ветром). Поправки за боковую рефракцию не вводят.

Полнейшее однообразие условий направлений на левый и правый предмет – вот основное требование при высокоточных измерениях углов.

Время для наблюдений

Умение наблюдателя оценить внешнее влияние имеет существенное значение. Так, слегка колеблющиеся изображения указывают на перемешивание слоев воздуха, а значит, и на ослабление влияния боковой рефракции. Поэтому наблюдения на совершенно спокойные и четкие изображения далеко не всегда дают более точные результаты.

Опытным путем установлено, что выгоднейшее время для наблюдений горизонтальных углов — утренние часы, начинающиеся через полчаса-час после восхода солнца и до 8-9 часов, и вечерние с 16 часов, заканчивающиеся за полчаса до захода солнца; для зенитных расстояний (вертикальных углов) — с 8 до 18 часов, в периоды достаточно четких изображений визирных целей.

С большой осторожностью рекомендуется относиться к наблюдениям, исполняемым в безветренную погоду в период, близкий к заходу солнца. В это время изображения могут только казаться спокойными, а в действительности они очень медленно, незаметно для глаза смещаются по азимуту. Опытом установлено, что наблюдения, выполненные при удовлетворительной видимости и слабом ветре на слегка колеблемые изображения, наиболее надежны.

Общие правила наблюдений

Перед наблюдениями необходимо:

при работе в зимнее время штатив следует ставить не на снег, лед или мерзлую землю, а на деревянные плашки;

если приходится «гнать ход» через болото, то тогда в болото вбивают обрезки стволов деревьев, и на них уже устанавливают штатив;

При наблюдении необходимо соблюдать общие для всех способов измерений правила:

Не затягивать сильно винты закрепительных устройств алидады и трубы. Надо почувствовать только, что винт «схватил». При работе пользоваться средней частью винтов наводящих устройств.
Производить окончательное наведение на цель только ввинчиванием винта наводящего устройства.
Алидаду в каждом полуприеме или приеме нужно вращать только в одном направлении, принятом для данного полуприема или приема. Если вы перевели трубу через цель, то на неё нельзя наводить, используя обратное движение алидады. В этом случае алидаду нужно повернуть на полный оборот в направлении, которое принято для данного полуприема или приема. Обратные движения, как правило, приводят к ненадежным результатам.
Подправлять отвесное положение оси теодолита при помощи подъёмных винтов (горизонтирование), если оно нарушается. Исправления нельзя производить при исполнении приема.
Производить наблюдение приема быстро, а отсчеты — без остановок. Нельзя тратить время на их обдумывание или проверку, так как затянувшийся прием редко дает удовлетворительные результаты.

Ваши инструменты, ваши «орудия труда» — это продолжение ваших рук. И относиться к ним надо бережно, как и к собственным рукам. И знать их возможности-способности, и уметь ими пользоваться так же свободно, как своими руками.