Что такое нивелир в географии

Определение и классификация

Нивелир — это измерительный прибор, с помощью которого вычисляется разница в уровнях расположения точек в пространстве по отношению к условно заданной поверхности. Их часто применяют топографы или геодезисты при исследовании рельефа, а также строители, когда нужно при возведении или ремонте объектов строго соблюдать определенные параметры.

Данные приборы нужны везде, где нужно идеально выровнять поверхность по вертикали или горизонтали или же придать определенному предмету или строению тот или иной уровень уклона.

Они классифицируются по двум признакам: принципам своей работы и точности измерения.

По точности снятия параметров существует три группы приборов:

• высокоточные — допускается квадратичная ошибка при измерениях на квадратный метр двойного хода в размере 0,2−0,5 мм;
• точные — допустимая квадратичная ошибка составляет 0,5−1 мм на квадратный метр двойного хода соответственно;
• технические — показатель ошибки составляет 2−10 мм соответственно.

Чтобы выполнить элементарную разметку местности и определить перепады рельефа, а также его привязку к нужным точкам, можно использовать простые приборы технического типа. А вот более точные устройства потребуются для определения параметров на всех этапах строительных работ.

Что касается классификации нивелиров по принципу работы, то они бывают такими:

• Геометрические. Такие устройства излучают визирующий луч и приводят его в горизонтальное положение. С их помощью устанавливается разница в положении точек на той или иной местности. Данные точки нужно отмечать с помощью специальных реек. Геометрическое нивелирование бывает простым или сложным. В первом случае оно проводится из одной точки, во втором — из нескольких, которые поступательно меняются;
• Тригонометрические. По-другому их еще называют теодолитами, и используются они для установления между отметками превышений посредством наклонного луча. Между прибором и контрольной точкой измеряют угол наклона и расстояние, а потом, согласно формуле, определяется нужная величина. Это достаточно сложно, на больших расстояниях или пересеченных поверхностях результат может быть неточным;
• Гидростатические. Данные устройства состоят из двух сосудов с жидкостью, соединенных друг с другом. По уровню жидкости и определяется разница высот в различных точках. Полные сосуды соединяются друг с другом посредством рукава и шланга и ставятся в контрольных точках. Величина превышения одной точки над другой определяется по разнице между высотой столба жидкости в каждом из сосудов. Такой способ хоть и высокоточный, но ограничивается расстоянием длины шланга или рукава;
• Оптико-механические. С помощью таких устройств параметры точек определяются посредством светового луча и реек, размеченных специальным способом. Приборы имеют оптическую трубу для наблюдений, а также приспособление для выравнивания строго горизонтально. Но чтобы проводить с их помощью измерения, нужно обладать рядом специализированных навыков и знаний;
• Лазерные. Это высокоточные приборы, в которых посредством лазера на поверхность проецируется узконаправленный луч. Они очень просты в применении, с их помощью можно работать не только с точками, но еще и с плоскостями;
• Цифровые. Нивелиры оптического или лазерного типа, отображающие информацию в цифровом виде, способны ее запоминать, а в некоторых случаях даже частично анализировать. Эти устройства точные, ими можно управлять одному человеку, но они отличаются высокой стоимостью и чувствительностью к повреждениям механического типа.

Существуют и особые способы нивелирования, они проводятся с помощью таких приборов, как:

• радиолокаторы;
• барометры;
• эхолокаторы;
• стереоскопы и т. д.

Однако все эти методы почти не используются для бытовых нужд.

Нивелировка и ее методы

В целом все виды превышений можно сгруппировать на основные (преимущественные) и дополнительные. Основные подразумевают:

• Использование горизонтального визира луча зрительной трубы нивелира (геометрическое нивелирование)
• Принцип наклона визира луча зрительной трубки теодолита (тригонометрическое нивелирование)
• Выравнивание жидкости в сообщающихся емкостях водяного уровня (гидростатическое нивелирование)

В качестве дополнительных методов нивелирования используют:

• Барометрическое нивелирование, которое применяют в горах и основано на разнице показателей атмосферного давления по отметкам высоты
• Автоматическое нивелирование, применяемое при производстве строительно-дорожных работ, принцип действия которых основан на считывание показаний с датчиков, установленных на автомобиле. Они в свою очередь высчитывают наклонный вектор при перемещении
• Стереофотограмметрическое нивелирование выполняется на сложной аппаратуре в комплексе. Основано на паре снимков с космоса или самолета, которые потом частично перекрывают и загружают в цифровое устройство. Это самый догорай и современный метод, в результате которого выводится эффект трехмерного изображения

В качестве примера можно привести аэрофотосъемку современного микрорайона. Осуществив привязку четких контуров снятой местности к системе координат, можно получить трехмерную модель, с определением точек высот с использованием метода интерполяции.

Как определить превышение точек?

Работа с оптическим нивелиром заключается в определении разности высот нескольких точек на поверхности. Чтобы это сделать, необходимо иметь специальную мерную рейку и помощника, который будет переносить ее с одного места на другое.

Для выполнения работ необходимо придерживаться следующей инструкции:

Вычисление отметок точек через превышение

• Выбирают первую точку, на которой устанавливают рейку в вертикальном положении.
• Чтобы планка стояла максимально ровно, необходимо корректировать ее нахождение, ориентируясь на визирную сетку на приборе.
• Нивелир наводят на рейку. При помощи вращения окуляра добиваются максимальной четкости изображения.
• В блокнот записывают значения мерной рейки, где оказалась горизонтальная линия визирной сетки.
• Планку переносят на другую точку и всю работу проводят сначала по аналогичной схеме.
• Нивелир расположен неподвижно. Поэтому чем больше измеренное значение на рейке, тем ниже находится конкретная точка.

Правила переноса отметок на поверхность

Схема передачи отметок на монтажный горизонт

Нивелир на стройке — незаменимая вещь, поскольку с его помощью можно определить глубину копания котлована в каждом конкретном случае. Рассмотрим ситуацию, когда необходимо получить выемку с нахождением дна на уровне -2.000 относительно пола здания. Для этого экскаваторщику необходимо указать его отметку.

Чтобы правильно выполнить данную работу, выставляют рейку на точке, которая соответствует полу здания – на проектном нуле. На стройке обычно подобные реперы выставляет геодезист.

Допустим, что в данной точке удалось измерить значение 153. На месте нахождения будущего котлована устанавливают колышек и приставляют к нему рейку. Снимают значения, которое вышло, например, 168. Разницу в 15 см откладывают от низа колышка вверх. Рядом с ним можно забить еще один столбик. Его верх должен соответствовать выполненной отметке, что обеспечит экскаваторщика более надежным ориентиром.

Как выбрать нивелир?

Выбирая бытовой лазерный нивелир, нет смысла тратиться на дорогостоящий прибор, так как даже бюджетные модели позволят выполнять разметку внутри комнат любых размеров.

Для этого будет вполне достаточно минимальной длины луча.

Кроме того, чем меньше размеры помещения, тем меньшими будут угловые погрешности.

Достаточно осмотреть корпус на наличие повреждений, а также проверить лазерный уровень пузырьковым аналогом.

При выборе полупрофессиональных моделей, а также приборов для профессиональной строительной и геодезической деятельности, важными параметрами, на которые следует обратить внимание, будут:

• Количество лучей. К стандартным двум лучам, строящим линии по вертикали и горизонтали, добавляются несколько дополнительных. Как правило, расположены они по бокам устройства.

• Дальность свечения. Если этот параметр, который указывается производителем, равен 30 метрам, лучи буду светить и на большие дистанции. Но следует помнить, что по превышению указанного порога дальности, их толщина увеличивается, что приводит к снижению точности отметок.

• Наличие системы самовыравнивания. Это позволит экономить время на точном позиционировании устройства относительно горизонта.

• Угол развертки лучей. Хорошо, если этот параметр составит 110° — 130°.

• Элементы питания. Чем они проще, тем лучше. В идеальном случае прибору для работы необходимо будет две или три пальчиковые батарейки типа ААА. Также хороший вариант – аккумуляторная батарея.

В комплект поставки некоторых моделей входят защитные лазерные очки.

Они не только предохраняют глаза от воздействия излучения приборов, но в них и сам луч видно лучше при любой погоде.

Для комфортной работы также нужен штатив, особенно в тех случаях, когда прибор нужно приподнять на определенную высоту.

Для фиксации нивелира в различных местах требуется крепление типа “прищепка”.

Более удобным будет вариант с универсальным магнитным креплением.

Прибор с богатой комплектацией обойдется дороже, но, если покупать аксессуары по отдельности, их стоимость выйдет еще выше.

• Профессиональный нивелир оснащается дополнительными регулировками.

В частности, модели с мини-штативами, которые расположены прямо в корпусе, имеют винты плавной наводки, которые позволяют выполнить настройку прибора максимально правильно.

Кроме прочего, нивелиры должны иметь надежную защиту от пыли и других внешних факторов.

Определить степень защиту можно по маркировке.

Стандартной принято считать IP54 – влагоустойчивое устройство, которое подойдет для работы и под дождем, и на пыльной строительной площадке.

Для защиты от падения нивелиры должны иметь противоударный корпус и демпферные накладки.

Некоторые модели оснащаются внутренними амортизаторами, которые защищают электронные компоненты от повреждений.

Назначение нивелира – как работают простые законы физики?

А вот для чего нужен нивелир гидростатического типа? Принцип работы таких приборов основан на свойстве жидкостей в сосудах всегда задерживаться на одном уровне. Положение не должно меняться от высоты точек, где бы ни были установлены сосуды. Это один из самых эффективных методов, а расчеты при таком нивелировании самые точные, и можно определить разность высоты между точками, даже если отсутствует взаимная видимость, именно в таких местах не могут работать описанные выше модели. Единственный недостаток таких измерений – разность высоты ограничивается длиной самой большой из всех трубок, которые соединены при помощи шлангов.

Барометрический нивелир выдает принцип работы в своем названии, все выполняется барометром, имеющимся в данном инструменте. Расчет ведется по данным значений из атмосферного давления с использованием специальной барометрической формулы. А принцип работы радиолокационных нивелиров основывается не только на измерениях радиовысотомеров, а также и на измерениях эхолотов. Они устанавливаются на воздушные и водные суды. Профиль измерений вычерчивается по проходимым путям.

Схожие параметры

Человек, не разбирающийся в измерительной технике, может с лёгкостью перепутать теодолит с нивелиром. И это неудивительно, ведь как мы уже сказали, оба прибора относятся к одной геодезической группе устройств, применяемых для измерений на местности.

Также путаница может быть вызвана внешним сходством и одинаковыми элементами, входящими в состав приборов. К ним можно отнести зрительную систему, в составе которой имеется сетка нитей для наведения.

Пожалуй, на этом какие-либо значимые похожести заканчиваются. Теодолит и нивелир имеют гораздо больше различий, чем может показаться изначально. Тем не менее в некоторых ситуациях и при определённых условиях эти приспособления могут заменять друг друга. Но об этом мы поговорим чуть позже. А сейчас давайте рассмотрим наиболее важный вопрос, а именно отличительные черты теодолита и нивелира.

Для чего нужен нивелир

Спектр действий, проводимых нивелиром, очень высок. Устройство различается по конструкции и параметрам, для геодезических работ применяются оптические модификации приборов. В строительстве, при монтажных работах широкое распространение получили лазерные модификации измерительных приборов. Функционал не требует последующих расчетов и разметки территории, конструкцией может пользоваться даже непрофессионал.

Основное назначение нивелира:

• Разметка строительной площадки для возведения фундамента проектируемого объекта.
• Любые измерения на территориях, где планируется высадка деревьев или цветов, а также монтаж заборов, пристроек и теплиц.
• Площадки и тротуары могут быть расчерчены на территории нескольких десятков метров вперед, что позволяет подсчитать расходы материала.
• Производятся землеустроительные мероприятия.

Процесс разметки пола в строительстве

Модификация строительного нивелира применяется при крупном ремонте или возведении здания. Для чего нужен нивелир – сокращение времени на разметку, а также поиск неровностей. Строительные разновидности применяются:

• когда прокладываются магистрали коммуникаций, это могут быть трубы, канализация, электропроводка и прочее;
• горизонтальный пол, ровные стены, перегородки необходимы при любом качественном ремонте, нивелир помогает вычислить параметры;
• производится монтаж плинтусов, натяжных, подвесных конструкций на полотке здания;
• монтаж мебели встроенного типа, установка рам, дверей в помещениях.

Процесс измерения высоты холма

Время на отделочные, монтажные работы значительно сокращается с использованием цифрового устройства.

Виды нивелиров

Основные различия механизмов классом точности, принципом работы. Существую различные виды нивелиров, которые служат для разметки местности, монтажных, а также при строительных работах.

Разновидности нивелиров

1. Геометрические приборы построены процессом излучения визирующего луча, произведенного в горизонтальном положении, что дает возможность измерить разницу между точками на местности. Разметка, местоположение точек указывается специализированными рейками, геометрическое нивелирование может быть использовано простым и сложным способами. Сложные работы подразумевают последовательно заменяемые точки при использовании прибора.
2. Оптико – механические геодезические нивелиры определяют параметры точек с помощью света, совокупностью с заранее расставленными контрольными приборами. Оснащен прибор оптической трубой, расчет параметров производится визуально, что требует определённой подготовки.
3. Теодолитные или тригонометрические механизмы работают за счёт наклонного луча, позволяют вычислить превышения между метками плоскости. Расчет параметров производится по специальной формуле, данные метод считается не точным при пересеченных местностях, на большом расстоянии.
4. Гидростатические приборы работают за счёт нескольких сосудов с жидкостью, соединённых парой. Процесс измерения происходит наполненными трубками с жидкостью, соединенными между собой шлангом или трубой. При отклонении по высоте количество вещества в сосуде одной из емкостей будет больше. Метод определения высотных разниц достаточно точный, но ограничен длинной шланга или трубы.
5. Цифровые приборы модификация лазерного типа, которая имеет повышенный функционал. Основываясь на данных излучателя, процессор обрабатывает информацию, выводит в цифровом виде. Показания возможно сохранить, скинуть на внешний носитель.
6. Лазерные приборы считаются высокоточными, способны проецировать луч к различным поверхностям. Различные модификации позволяют работать с плоскостями при тяжелых условиях.

Оптический прибор

Гидростатический нивелир

Цифровой вариант

Некоторые виды измерений проводятся с помощью эхолотов, барометров, стереоскопов. Данные приборы требуют особых навыков при эксплуатации, точных расчетов. Строительный нивелир получил широкое распространение в виде цифрового устройства, цена высока, но предоставляется возможность производить измерение самостоятельно.

Классы точности нивелиров

Классификация по точности подразумевает использование на определенных местах работы. Существует три основные категории:

• Технические устройства, допустимая квадратичная ошибка которых варьируется от 2 до 10 мм на 1 км двойного хода луча. Данные приборы используются для определения высотных параметров рельефа, привязки к определенным точностям.
• Высокоточные, квадратичная ошибка на 1 км хода допустима в пределах от 0,2 до 0,5 мм. Применяются в строительных работах, небольших помещениях. Результат наиболее точен по сравнению с техническими конструкциями.

Нивелиры применяются во всех отраслях, где важно идеальная поверхность по каждой из плоскостей. Оборудование позволяет установить необходимый уровень наклона к сооружению или предмету

Правила эксплуатации

Наибольшие затруднения вызывают оптические устройства, а с лазерными аналогами может справиться даже новичок в строительстве. Начинается работа с настройки прибора. Он должен четко показывать изображение, на котором можно различить мельчайшие детали. Для понимания тонкостей при выполнении настройки необходимо вспомнить, что такое нивелир и как он устроен. В оснащении он имеет оптическую трубу, окуляр и элементы регулировки – ими и следует направлять прибор на рабочую зону. Главное, чтобы шкала, которую можно видеть в трубе, была четко различима. Когда нивелир будет правильно установлен и четко настроен, необходимо навести его на шкалу рабочей рейки. Отметку, где пересекаются линии в окуляре и на рейке, в данном случае следует фиксировать на глаз и заносить в журнал. На основе этих сведений можно принять решение о том, требуется ли выравнивание почвы на данном участке.

Инструкция по нивелированию оптическим прибором

Для правильного монтажа и настройки оптического устройства важно правильно изучить инструкцию

Установка штатива

Прежде всего нужно установить штатив. Ослабляя винты, ножки трегера устанавливаются на комфортную для измерения высоту. Затем винты вновь закручиваются. Устройство закрепляют к головке штатива. По горизонтали также выравниваем прибор по пузырьковому нивелиру.

Установка штатива ФОТО: youtube.com

Монтаж прибора

Приспособление устанавливается и закрепляется посредством крепёжного винта, который расположен на трегере. Подготовительные работы предполагают настройку оптики, монтаж нивелира в горизонтальную позицию.

Монтаж ФОТО: youtube.com

Фокусировка оптико-механического узла

Начать следует с того, чтобы выровнять прибор горизонтально. Для этого два подъёмных винта поворачиваются сразу, пузырёк уровня располагают по центру. Данная точка имеет название «нуль-пункт».

Далее следует перейти к фокусировке оптического нивелира. Зрительная труба наводится на любые поверхности. Окулярное кольцо вращается, благодаря чему будет достигнута четкая видимость сетки. Переводится устройство на рейку, фокусировочный винт помогает настроить соответствующую видимость шкалы.

Центрирование проводится во время монтажа приспособления над точкой, работая методом «вперёд». Ослабляется закрепительный винт, подвешивается отвес.

Сдвигается устройство по головке трегера до того момента, пока отвес не будет указывать на требуемую точку. Винт затягивается.

Фокусировка прибора ФОТО: youtube.comУстановка рейки ФОТО: youtube.com

Измерение и фиксация наблюдений

После монтажа приспособления в центре между двух точек, следует перейти к замерам.

На контрольную точку устанавливается мерная рейка. Точное её расположение контролируется с помощью вертикальной риски визира.

Фиксация наблюдений ФОТО: echome.ru

Разница между теодолитом и нивелиром

Несмотря на наличие схожих черт, отличий между нивелиром и угломером больше. На строительной площадке устройства используют для разных целей.

Функционал

Теодолит считается более универсальным прибором

В первую очередь его используют для измерения углов, но важное отличие состоит в том, что он может определять также линейные показатели — вертикальные и горизонтальные

Нивелир относится к узкоспециализированным приспособлениям. Его применяют для разметки и выравнивания поверхностей, заливки фундамента, нанесения планировки. Измерять углы инструмент обычно не способен.

Конструкция

Теодолит по строению является более сложным прибором. В нем предусмотрены специальные детали — лимб и алидада с вращением, тогда как в нивелире подобных элементов нет.

Отсчетная система

Отличием нивелирного прибора является то, что при проведении измерений нужно использовать специальную рейку, ее называют инварной. Эту деталь поочередно устанавливают в определенных местах и вычисляют высоту.

Инварная рейка нивелира обычно обладает телескопической конструкцией и прилагается в комплекте

Теодолит проводит измерения за счет двухканальной системы, включающей в себя микроскоп. Величина угла направления рассчитывается по лимбу, а угол наклона — по кругу, зафиксированному на вертикальной оси.

Сфера применения

К важным отличиям теодолита относится то, что его можно использовать в двух плоскостях. Классический нивелирный прибор проводит только горизонтальные измерения. Также теодолит изначально предназначен для определения величины углов. Нивелирное устройство покупают для вычисления высоты.

Принципиальные основы геометрического нивелирования

При работе с нивелиром существует ряд методов позволяющих эффективно добиваться точного результата:

• Методом нивелирования из середины
• Методом нивелирования вперед

В основе каждого из них лежит свой принцип работы. Так первый способ подразумевает отсчет показаний по геодезическим рейкам, которые устанавливаются в точках стояния, сзади и спереди нивелира. Затем снимаются данные разницы превышения и записываются в журнал. Способ расположения нивелира по отношению к рейкам получил название «метод нивелирования из середины», который является основным методом при строительстве.

Данный метод основан на принципе отсчета, по аналогии с теодолитным ходом, ведущимся с заранее известных высот, называемых реперами. Принцип хорошо иллюстрирует картинка, где есть точки А и Б. Естественно разница между точками по рекам составляет превышение, которое может быть как отрицательным, так и положительным. Данные одного превышения на местности, на практике нельзя считать окончательным, поскольку для объективной картины ее рельефа, необходимо снять как можно больше таких превышений.

Система сравнивания высот, применяемая в топографических планах, носит название «Балтийская». Она имеет начальную точку нуля Кронштадтского футштока, который в свою очередь находится на балтийском побережье. В данном случае на картинке, абсолютная высота (точка Б) рассчитывается, как h = А + а – б. Точка А – это отметка государственной системы высот, а считывание с реек ведется по отрезкам а, б.

Нивелирование методом «вперед» основано на использовании прибора и одной рейки, устанавливаемой перед ним. Сам нивелир устанавливается на заранее известную точку, а формула, по которой рассчитывается превышение, имеет вид:

h = А + i – б, где i — высота нивелира, измеряемая рулеткой. Такой способ применяется реже, так как имеет сложности в установки прибора на вертикальной поверхности стен. К тому же работа дистанционным способом намного легче и позволяет не приближаться к объектам.

Здесь за начальную точку отсчета, условно принято брать урез воды водоемов сообщающихся с любым мировым океаном. Но в таком случае мы будем иметь дело с условной системой высот, точности которой будет не хватать для проведения масштабных строительных работ. И все-таки, данный принцип геометрического нивелирования, отлично подойдет для локальных строительных площадок, где не требуется увязка высот здания с региональными системами.

Нивелир и нивелирование – что это такое

Нивелир – это технический прибор, с помощью которого геодезисты и строители делают замеры высотных точек на плоскости. Его основная задача — построить стабильную горизонталь, относительно которой любые отклонения станут заметными.

До изобретения нивелира измерения уровня проводились вот таким, нехитрым способом. Доподлинно неизвестно, что именно служило в качестве ёмкостей. Остаётся только догадываться

Если посмотреть в окуляр современного устройства, видно, что, кроме приближения предмета, нивелир накладывает на его изображение систему тонких линий, называемую визирной сеткой или визирными нитями. Эта сетка создаёт рисунок поверх объекта из вертикальных и горизонтальных полосок, на которые и ориентируется человек.

Именно на такую картинку так увлечённо и сосредоточенно смотрит геодезист во время измерительных работ

Нивелирование — это процесс геодезических изысканий с помощью нивелира. Иными словами, это определение разности высот двух или многих точек земной поверхности относительно условного уровня (например, уровня океана, реки и пр.) или превышения.

Пример использования лазерного нивелира для разметки места крепления поручней к лестнице

Лазерные модели нивелиров могут рисовать такие линии непосредственно на объекте. В лазерных приборах построение линий происходит на 360° сразу в нескольких плоскостях.