8.7. Электронные тахеометры

Электронным тахеометром называют устройство, объединя­ющее в себе теодолит и светодальномер. Одним из основных уз­лов современных тахеометров является микроЭВМ, с помощью которой можно автоматизировать процесс измерений и решать различные геодезические задачи по заложенным в них програм­мам. Увеличение числа программ расширяет диапазон работы тахеометра и область его применения, а также повышает точ­ность работ. Наличие регистрирующих устройств в тахеометрах позволяет создать автоматизированный геодезический комп­лекс: тахеометр—регистратор информации—преобразователь-ЭВМ—графопостроитель, обеспечивающий получение на выхо­де конечной продукции — топографического плана в автомати­ческом режиме. При этом сводятся к минимуму ошибки наблю­дателя, оператора, вычислителя и картографа, возникающие на каждом этапе работ при составлении плана традиционным спо­собом.

По степени автоматизации угловых измерений электронные тахеометры можно разделить на две группы. К первой группе от­носятся приборы, представляющие собой сочетания: оптический теодолит и топографический светодальномер, выполненный в виде насадки на теодолит; оптический теодолит и топографиче­ский светодальномер, объединенные в одном корпусе. Углы в та­ких тахеометрах измеряют обычным путем с визуальным отсчиты-ванием по кругам при помощи отсчетных устройств, а линии — светодальномерами с автоматической выдачей результатов на электронное цифровое табло.

Сейчас такие приборы оптико-механические заводы не вы­пускают.

Электронные тахеометры второй группы представляют собой приборы, в которых реализована следующая ступень развития средств автоматизации измерений. Конструктивно они сочетают кодовый теодолит с топографическим светодальномером и объе­динены в одном корпусе. Приборы этой группы обеспечивают цифровую индикацию измеряемых величин на электронном табло и автоматическую регистрацию результатов измерений в карту па­мяти.

К тахеометрам этой группы можно отнести ЗТа5 (Россия), ТС 1600 (Швейцария), SET3 (Япония), Trimble 3600 (США) и др. Они имеют сравнительно небольшие массу и габариты, потребля­ют мало электроэнергии, но выполняют большой объем операций в измерениях и вычислениях. В них заложено значительное число программ для решения геодезических задач.

8.8 ЭЛЕКТРОННЫЙ ТАХЕОМЕТР ЗТа5

Электронный тахеометр ЗТа5 (рис. 8.7) является многофункци­ональным геодезическим прибором, совмещающим в себе элект­ронный теодолит, светодальномер, вычислительное устройство и регистратор информации.

Основные технические характеристики прибора приведены далее.

Средняя квадратическая погрешность измерения одним приемом:

горизонтального угла 5"

вертикального угла 7"

наклонного расстояния, мм (5 + 3 ■ 10~⁶/>) Время получения результата измерения, с:

в основном режиме измерения расстояния 4

в режиме непрерывного измерения расстояния 0,5

Диапазон работы датчика наклона ±5'

Увеличение зрительной трубы 30

Цена деления цилиндрического уровня 30" Масса, кг:

тахеометра с подставкой и кассетным источником питания 5,4

отражателя однопризменного 0,5

отражателя шестипризменного 1,5

Высота вехи с отражателем, мм 1300...2250

Цена младшего разряда дисплея при измерении расстояния, мм 1

Объем карты памяти, Мбайт 1 (11000 пикетов)

Угломерной частью тахеометра ЗТа5 является электронный теодолит, снабженный растровым датчиком накопительного типа. В качестве датчика угла применен фотоэлектрический преобразова­тель угол-код. Рабочей мерой преобразователя служит стеклянный лимб, разделенный на 10 000 частей —попеременно чередующих­ся прозрачных и непрозрачных полос равной ширины. Секция примерно из 100 штрихов (полос) с помощью оптической системы проецируется мостиком с увеличением 1,01 на диаметрально про­тивоположную секцию лимба. Наложение изображения полос, повернутого на 180°, благодаря призме с крышкой, входящей в оп­тическую систему, образует с полосами основного участка круга муаровую картину¹ (рис. 8.8), которая проецируется на фотопри­емник. Благодаря оборачиванию, созданному оптической систе­мой, изображения полос противоположных участков круга при вращении алидады (или зрительной трубы, если круг вертикаль­ный) двигаются навстречу друг другу.

Периодические структуры штрихов диаметрально противопо­ложных участков образуют растровое сопряжение, причем линей-' ные шаги разверток сопрягаемых растров отличаются на 1/100 шага растров. При сопряжении таких растров возникает комбинаци­онная (муаровая) картина (см. рис. 8.8), шаг, форма и направ­ление которой зависят от вза­имного расположения растров. При взаимном перемещении растров происходит модуляция светового потока в функции пе­ремещения, т. е. периодическое изменение освещенности фото приемника, расположенного за сопряжением. Освещенность фо­топриемника максимальна при совпадении штрихов сопрягаемых растров и минимальна, когда штрихи одного растра совпадают с промежутками другого растра.

Рис. 8.7. Тахеометр ЗТа5:

/ — подъемный винт; 2—панель управле­ния и дисплей; 3— цилиндрический уро­вень; 4— объектив; 5 — коллиматорный ви­зир; 6— кассетный источник питания; 7— на­водящий и закрепительный винты вертикаль­ного круга; 8— карта памяти; 9— наводящий и закрепительный винты горизонтального круга

а — развертка дорожки лимба; 6— увеличенное изображение участка лимба (развертка);

в комбинированная картина растрового сопряжения (муаровая); 1...4— площадки задиа-фрагмированного фотодиода

Сигнал с фотоприемника поступает в электронную часть дат­чика угла, которая содержит реверсионный счетчик для определе­ния числа периодов муаровой картины, соответствующего углу поворота зрительной трубы. Считая число периодов муаровой картины (периодов изменения освещенности), реверсионный счетчик грубого канала измеряет угол поворота лимба с точностью дискрета грубого отсчета, равного 200^сс = Г05".

Для получения точного отсчета применен фотоэлектрический интерполятор, доизмеряющий угол поворота лимба в пределах од­ного периода муаровой картины с точностью 1^сс = 0,3". Полный отсчет в сигнальном канале угломера формируется в условных единицах (ее). Встроенная в прибор микроЭВМ умножает полу­ченный полный отсчет на цену младшего разряда (коэффициент перевода в секунды 0,324"/сс) и формирует отсчет в градусах, ми­нутах и секундах. Например, отсчет 20 520^сс -0,324"/сс = 6648" = = Г50Ч8".

Структурная схема тахеометра ЗТа5 показана на рисунке 8.9.

Тахеометр ЗТа5 снабжен самоустанавливающимся индексом вертикального круга, автоматически исключающим погрешность измерения зенитных расстояний при наклоне вертикальной оси вдоль линии визирования.

Отдельные кнопки выполняют следующие функции:

Нажатие кнопок сопровождается звуковым сигналом.

Для регистрации информации в карте памяти с противоположной стороны панели управления расположен узел сопряжения с картой памяти.

Для проведения оперативного контроля светодальномера слу­жит блок контрольного отсчета (БКО), состоящий из призмы, закрепленной в оправе в виде крышки, надеваемой на объектив зрительной трубы. Результаты измерения расстояния до призмы БКО при выпуске с предприятия записывают в паспорте. Устрой­ство тахеометра показано на рисунке 8.7.

В зависимости от типа решаемых задач можно выбрать четыре шаблона дисплея: измерение углов; съемка в полярных координа­тах; съемка в прямоугольных координатах; измерение углов, гори­зонтального проложения и превышения.

Расстояние может быть измерено в трех режимах: непрерыв­ном, быстром и основном.

Для оценки состояния прибора предусмотрен вывод на дисп­лей двух тестовых функций: показания угла наклона вертикальной оси и показания состояния источника питания.

Пакет прикладных программ включает:

определение координат станции по координатам двух точек с известными координатами;

ориентирование тахеометра относительно исходного дирекци-онного угла;

ввод координат станции;

определение координат невидимой точки объекта прямоуголь­ной формы;

вычисление площади земельного участка;

измерение недоступного расстояния;

определение высоты недоступной точки;

вынос запроектированной точки в натуру.

Результаты измерений записывают и хранят в карте памяти.

Обмен данными с компьютером (передача файлов в компь­ютер, запись файлов из компьютера в карту памяти и другие опе­рации) осуществляется с помощью специальной программы.

Контрольные проверки включают:

проверку и поправки дальномера с помощью блока конт­рольного отсчета (БКО);

проверку масштабной частоты;

калибровку (коллимационную погрешность, место нуля верти­кального круга и индекс датчика наклона).

При работе с картой памяти (запись в карту памяти, передача информации из карты памяти в компьютер, обмен данными с компьютером, удаление файла из карты памяти и др.) применяют специальную процедуру, изложенную в руководстве по эксплуата­ции ЗТа5.

Пример оформления журнала тахеометрической съемки приве­ден в таблице 8.3.

8.9. ЭЛЕКТРОННАЯ ТАХЕОМЕТРИЧЕСКАЯ СЪЕМКА

Электронную тахеометрическую съемку (ЭТС) эффективно применять на открытой равнинной местности (речные поймы, от­веденные для строительства мелиоративных систем земли и др.), когда с исходной съемочной точки открывается видимость на рас­стояния в 1...2км. С помощью электронных тахеометров можно выполнять исполнительные съемки построенных осушительных и оросительных систем.

Экономический эффект от применения ЭТС прежде всего до­стигается за счет увеличения площади съемки, выполняемой с од­ной установки прибора. При этом вследствие значительной даль­ности действия тахеометра сокращаются затраты труда на разви­тие съемочного обоснования.

Применение электронных тахеометров особенно эффективно при работе с передвижных наружных знаков с платформами (рис. 8.10), с помощью которых обеспечивается поднятие тахео­метров над поверхностью земли на 2...3 м, в результате чего от­крывается хороший обзор местности, позволяющий выполнить тахеометрическую съемку в радиусе 1...2км. Использование указанных устройств позволя­ет значительно повысить про­изводительность труда при съемке.

Технология ЭТС дает воз­можность представить топо­графические планы как в тра­диционной графической фор­ме, так и в виде цифровых мо­делей местности и рельефа, т. е. в форме, удобной для ис­пользования в системах авто­матического проектирования (САПР).

Основными техническими средствами ЭТС являются:

электронные тахеометры (ЭТ), регистраторы информации на тех­нический носитель (диктофон), комплексы носимых и перевози­мых радиостанций, программируемые микрокалькуляторы или управляюще-вычислительные комплексы на базе мини-ЭВМ.

Требованиям технологии ЭТС отвечают отечественные элект­ронные тахеометры ЗТа5 и зарубежные SET3, Trimble 3600 и др. Можно применять полуавтоматические или гибридные топогра­фические системы, изготовленные в виде насадки топографиче­ского светодальномера СТ5 на оптический теодолит ЗТ5К или ЗТ2.

Экономическая эффективность ЭТС во многом определяется связями технологического процесса. В зависимости от способа, места и времени обработки результатов съемки ЭТС может быть реализована в трех вариантах: с централизованной обработкой, де­централизованной и одновременной.

Первый вариант отвечает классической схеме наземных топо­графических съемок, при которой основные технологические процессы последовательно сменяют друг друга. Численность то­пографической бригады составляет два человека. Служебную и метрико-семантическую информацию записывают на техничес­кий носитель. При устойчивой двусторонней радиосвязи функции регистрации информации на технический носитель (диктофон) могут быть переданы рабочему, так как качество записи практи­чески одинаково как с голоса, так и с микрофона радиостанции. Этим высвобождается дополнительное время исполнителя работ для постоянного отслеживания визирной цели, чем сокращается время на поиск в дискретном режиме отслеживания. Обрабатыва­ют результаты измерений и составляют топографические планы в этом варианте ЭТС в основном в условиях стационарного каме­рального производства.

Второй вариант ЭТС отличается от первого тем, что обработку материалов съемки ведут на базе полевой бригады, когда разрыв между полевыми и камеральными работами не превышает не­скольких суток.

Третий вариант отвечает принципиально новой схеме органи­зации работ, при которой основные процессы съемки (полевые и камеральные) ведут одновременно. Численность топографической бригады при этом увеличивается на одного человека за счет орга­низации в ближайшем к объекту населенном пункте выездного командно-диспетчерского камерального поста (КДКП) с переда­чей ему функций регистрации информации на технический носи­тель, за счет обработки ее по мере поступления и отображения на составляемых тут же топографических планах.

Одновременности выполнения полевых и камеральных работ достигают за счет организации радиосвязи между всеми участни­ками съемки и ее камеральной обработки. Связь осуществляют с помощью мобильных радиостанций. При этом оператор тахеомет­ра управляет перемещением рабочего с отражателем по объекту съемки, принимает семантическую информацию с места установ­ки отражателя и передает ее вместе с метрической информацией на КДКП. Оператор КДКП, находясь в ближайшем от объекта на­селенном пункте (или кузове специального автомобиля), не толь­ко принимает и обрабатывает метрико-семантическую информа­цию, но и активно управляет плотностью набора пикетов, закры­вая «белые пятна» в съемке, а в необходимых случаях требует от оператора тахеометра набора контрольных пикетов и т. п. Одно­временность набора и отображения съемочных пикетов на со­ставляемых топографических планах позволяет исключить недо­статки, свойственные обычной тахеометрической съемке, при­ближая ее к мензульной. При этом за счет большой дальности действия тахеометра значительно увеличивается площадь съемки, выполняемая с одной установки прибора и, как следствие, умень­шается потребность в числе пунктов съемочного обоснования.

Однако при определении высот пикетов на значительных (по­рядка 1 км и более) расстояниях с малой (0,5 м и менее) высотой сечения рельефа возникает необходимость учета поправок за вер­тикальную рефракцию и кривизну Земли. Рассматривая послед­ний член известной формулы тригонометрического нивелирова­ния

видим, что он представляет собой суммарную поправку, обусловленную влиянием вертикальной рефракции и кривизны Земли .

Поправка за кривизну Земли в современных электронных тахео­метрах учитывается автоматически. Не вызывает затруднений и учет этой поправки в случае применения топографических свето-дальномеров СТ5, СТ10 и др., так как значение ее зависит только от дальности.

Учет же поправки за вертикальную рефракцию — достаточно сложная задача. При распространении визирного луча в слое воз­духа выше границы автоконвекции (10...15 м) обе поправки час­тично компенсируются, так как коэффициент вертикальной реф­ракции, рекомендуемый геодезическими руководствами для сред­ней полосы России, положительный (чаще всего принимают Л =+0,14).

Однако по последним исследованиям при низких высотах рас­пространения визирного луча и положительных температурах воз­духа в период с 8 до 20 ч коэффициент вертикальной рефракции может иметь знак «минус» (к = —1, —2, —3 и более).

Так как при тахеометрической съемке с помощью электронных тахеометров определяют высоты пикетов в радиусе до 1000 м и бо­лее, то возникает необходимость в оперативном и надежном учете влияния вертикальной рефракции. В качестве примера заметим, что при угле рефракции 40" и расстоянии до съемочного пикета в 1000 м поправка в превышение за рефракцию составляет 0,19 м (табл. 8.4).

Если иметь в виду крупномасштабную тахеометрическую съем­ку с сечением рельефа через 0,5 м, характерную для съемки объек­тов, предназначенных для мелиоративного строительства, то не­трудно заметить, что неучет этой поправки может существенно исказить съемку рельефа.

Разработана методика учета поправки за вертикальную рефрак­цию при низком прохождении визирного луча и нормальном со стоянии слоя воздуха¹. Ее сущность состоит в следующем. На уча­стке тахеометрической съемки разбивают рефракционный базис длиной 1000...1500 м в зависимости от максимальных расстояний до пикетов. Определяют высоты концов базиса Н₁ и Н₂ геометри­ческим нивелированием. Вычисляют истинное значение угла на­клона

Наблюдают высокоточным теодолитом угол наклона v с на­чального на конечный пункт базиса на данный момент времени. После этого определяют угол рефракции по формуле

= v - v₀,

а затем поправку в превышение за влияние рефракции

. (8.1)

Пример. Определить поправку в превышение за влияние вертикальной рефракции по данным: s = 1000 м, R = 6370 км, H₁ — H₂ = 10 м, v = 34'56,6". Имеем

Исследованиями установлено, что для обеспечения необходи­мой точности определения высоты пикетов г₀ нужно определять на базисе каждые три часа.

По формуле (8.1) рассчитаны значения поправок за влияния рефракции 8_h, которые приведены в таблице 8.4.

Практически это означает, что поправки следует определять перед началом работы и два-три раза в течение рабочего дня.

Исследованиями, выполненными на объектах мелиоративного строительства, установлено, что рефракционный базис следует разбивать при каждой установке тахеометра. При этом высота ви­зирной цели на конце базиса должна быть равна высоте отражате­ля, принимаемой при съемке, т. е. 2...3 м.

При топографических съемках с высотой сечения рельефа 1...2 м и нормальной стратификацией приземного слоя атмосферы может быть использован статистический метод определения по­правки за влияние вертикальной рефракции. В этом случае коэф­фициент рефракции определяют по графику в зависимости от вы­соты визирного луча (рис. 8.11), составленному на основе обшир­ных экспериментальных данных, полученных в разных регионах страны. Среднюю высоту визирного луча в условиях плоскорав­нинного пойменного рельефа можно вычислить по формуле

Пример. Определить поправку в превышение за влияние вертикальной рефракции, если высота визирной цели (отражателя) = 2,87 м; расстояние до съемочного пикета s = 1200 м; стратификация атмосферы нормальная; время наблюдения 13 ч; температура воздуха t = +23 °С.

Определяют среднюю высоту визирного луча

По графику находят значение коэффициента рефракции k = -1,2 (см.

РИС. O.11).

Поправка в превышении съемочного пикета за влияние рефракции