Czym geodeci wykonują pomiar i jak działają te urządzenia? Część 2

W drugiej części artykułu z cyklu instrumentów pomiarowych w geodezji przedstawię Państwu kolejne urządzenia wykorzystywane w geodezji takie jak:

Tachimetr,
Niwelator,
Taśma pomiarowa,
Teodolit,
Dron.

Tachimetr

Tachimetr to urządzenie, które mierzy kąty poziome i pionowe oraz odległości, dzięki czemu można przeliczyć pomiar sytuacyjnie i wysokościowo. Najczęściej jest wykorzystywany do pomiarów w trudnodostępnych miejscach lub elementów, które generują zbyt duży błąd, gdyby miały zostać pomierzone GPS-em. Ze względu na swoją wysoką, kilkumilimetrową dokładność wykorzystywane są też do tyczenia budynków.

Tachimetr nie ma w sobie wbudowanego GPS-a, jakby mogło się wydawać. Jak więc określa swoje położenie i przelicza współrzędne? Najbardziej popularną metodą pomiaru tachimetrem jest ustawienie go na punkcie o znanych współrzędnych geodezyjnych i pomiar na dwa inne punkty o znanych współrzędnych. Jeden punkt mierzymy w celu określenia kierunku, drugi zaś kontrolnie. Współrzędne tych punktów możemy określić poprzez pomiar ich GPS-em lub skorzystać z osnowy geodezyjnej, która ma znane współrzędne.

Niektóre pojęcia użyte pod spodem (oznaczone *) mogą być dla Państwa nieznane, jednak zostaną one wyjaśnione w dalszej części artykułu.

Przygotowanie tachimetru do pomiaru krok po kroku:

Ustawiam statyw nad punktem pomiarowym, a na nim przymocowuję tachimetr;
Patrzę przez pionownik optyczny^* (jak na zdjęciu obok), który pokazuje mi obraz pod tachimetrem i centruje instrument nad pomierzonym punktem (w tym wypadku został wbity drewniany palik i pomierzony jego środek);
Następnie poziomuję instrument (przy użyciu libelli pudełkowej i rurkowej^*). Do tej czynności używam nóg statywu manewrując nimi góra-dół oraz śrub rektyfikacyjnych^*;
Gdy mam już scentrowany i spoziomowany instrument przystępuje do pomiaru. Zakładam w tachimetrze stanowisko, wpisuje nazwę punktu nawiązania i mierze wysokość instrumentu, czyli odległość od stanowiska do wysokości lunety (konieczne tylko w przypadku, gdy będziemy mierzyć coś wysokościowo);
Tutaj będzie potrzebna pomoc drugiej osoby, która ustawi pryzmat (o którym wspominałem w artykule Abecadło Geodezji) na punkcie nawiązania, a osoba przy tachimetrze wykona pomiar na ten pryzmat. Sygnał z pryzmatu zostanie odbity i wróci do tachimetru podając odległość. Kąt nawiązania zapisze się sam;
Następnie wykonuje kontrolny pomiar na drugi punkt nawiązania i mogę mierzyć sytuacje, która mnie interesuje;

Finalnie zgrywam pomiar i przeliczam go w programie geodezyjnym odpowiednio do tego przystosowanym.

*wyjaśnienie pojęć użytych powyżej oraz głównych elementów tachimetru:

1 – Obiektyw przez który patrzymy i 2 śruby, którymi wyostrzamy obraz oraz krzyż kresek;

2 – Bateria tachimetru;

3 – Śruba (leniwka) koła pionowego (do przesuwania obrazu pionowo);

4 – Libella rurkowa (służy do poziomowania instrumentu);

5 – Libella pudełkowa (służy do poziomowania instrumentu);

6 – Śruba (leniwka) koła poziomego (do przesuwania obrazu poziomo);

7 – Śruby rektyfikacyjne (służy do poziomowania instrumentu);

8 – Pionownik optyczny;

9 – Ekran wyświetlacza, gdzie mamy kolejno: kąt poziomy, kąt pionowy, odległość od stanowiska do punktu mierzonego, nazwa punktu oraz wysokość, na której znajduje się pryzmat (potrzebne do pomiaru wysokościowego); 10 – gniazdo na kabel do zgrywania pomiaru i wgrywania współrzędnych.

Tachimetr jest urządzeniem o bardzo wysokiej dokładności. Nawet te modele postrzegane jako parametrowo słabsze bez problemu mierzą z dokładnością do 5 – 10 mm. Jest on w stanie odbić sygnał z pryzmatu oddalonego o kilkaset metrów, a te najlepsze nawet o oddalony o kilka kilometrów od stanowiska pomiarowego. Czas odbicia sygnału zazwyczaj trwa krócej niż 1 sekundę. Świetnie radzi sobie też w niskich jak i wysokich temperaturach, a także podczas ulewnych deszczy.

Cena nowego tachimetru to koszt między 20-100 tysięcy złotych. Są to urządzenia, które są trwałe w użyciu i mogą służyć nawet do kilkunastu lat.

Niwelator, taśma pomiarowa, teodolit oraz dron

Niwelator jest urządzeniem służącym do wyznaczenia różnic wysokości między dwoma punktami, poprzez odczyt z łat niwelacyjnych. Istnieją różnego typu niwelatory począwszy od niwelatora optycznego, do którego potrzeba dwóch osób (osoby przy instrumencie i osoby z łatą). Odczytuje się wartość z punktu A i B, a następnie przelicza różnice wysokości między tymi punktami (wyjaśnienie tego będzie poniżej). Wyróżniamy również niwelator laserowy, do którego obsługi wystarczy jedna osoba. Urządzenie wysyła wiązkę lasera i odczytuje wartość z łaty laserowej. Jest to niwelator często używany na budowach np. do wyznaczenia jednakowych poziomów. Kolejnym wariantem jest niwelator cyfrowy (kodowy) do jego wykorzystania również potrzeba dwóch osób, a odczyt wykonywany jest z łaty kodowej. Niwelator ten cechuje się najwyższą i najszybszą dokładnością pomiaru, gdyż wystarczy jedno kliknięcie i otrzymywany jest zarówno odczyt z łaty jak i odległość do danego punktu. Dodatkową zaletą jest też to, że odczyty zapisują się w pamięci instrumentu.

Zdjęcie przedstawia widok z obiektywu na łatę niwelacyjną, wykorzystywaną przy niwelatorze optycznym. Łata składa się z podziałki, z której odczyt można wyznaczyć z dokładnością do 1mm. Na załączonym obrazku widać 3 czarne poziome linie (linie zielone oraz niebieskie zostały wrysowane przeze mnie jako linie pomocnicze i zostaną wyjaśnione później):

Górna o wartości odczytu 1617mm od poziomu, na którym się znajduje;
Dolna o wartości odczytu 1539mm od poziomu, na którym się znajduje;
Środkowa o wartości odczytu 1578mm od poziomu, na którym się znajduje.

Środkowa kreska to wartość naszego odczytu z łaty. Po sczytaniu wartości z wszystkich trzech kresek i zapisaniu ich ustawiamy łatę na drugim punkcie i odczytujemy ich wartość. Ze środkowej kreski uzyskujemy różnicę wysokości między tymi punktami. Natomiast górna i dolna kreska potrzebna jest do określenia odległości między niwelatorem, a łatą. Otrzymamy go poprzez proste równanie 100*(1617-1539) = 7800mm. = 7,80m.

Odczyt składa się z czterech cyfr, gdzie pierwsza oznacza metr, a następna kolejno decymetr, centymetr i milimetr. Dwie pierwsze otrzymujemy z opisu łaty (15 i 16 widoczne na zdjęciu). Trzecia cyfra oznacza wartość centymetrową (zielone kreski na zdjęciu, które są oddalone od siebie o równo 1cm.). Na sam koniec pozostaje najtrudniejsze odczytanie czwartej cyfry. W tym wypadku szacujemy tą wartość metodą „na oko”. Dlatego też czarna kreska na dole ma wartość 1539mm, gdyż widać, że jest prawie na samej górze czerwonego kwadratu, jednak jego część widnieje nad kreską, dlatego odczytuje się tą wartość w ten sposób.

Niwelator jest wykorzystywany w geodezji głównie do przeliczenia wysokości włazów oraz dna studni kanalizacji sanitarnej, gdzie spadki są niewielkie, a dokładność wymagana jest na najwyższym poziomie, której GPS nie zapewnia w przypadku wysokości. Instrument ten jest wykorzystywany również do obsługi budynków, gdzie utrzymanie poziomów określonych w projekcie jest niezwykle istotne. Gdy wymagana jest najwyższa dokładność korzysta się z państwowej osnowy geodezyjnej, czyli tzw. reperów, które mają określoną i wyrównaną wysokość w państwowym układzie wysokościowym. Niekiedy oddalone są one nawet kilka kilometrów od placu budowy – w takim wypadku przenosi się je za pomocą ciągu niwelacyjnego. Dokładność tych instrumentów podawana jest często przez producentów jako wartość np. 2mm/km.

Im większa odległość od punktu A do B tym błąd będzie większy. Podczas obliczania niwelacji korzysta się ze wzorów, które pozwolą przeliczyć wartość dopuszczalną błędu na danym odcinku, która gdy nie zostanie przekroczona może zostać rozrzucona na pozostałe odczyty i uśredniona. Jest to natomiast temat na oddzielny artykuł. Odległość między stanowiskiem, a łatą nie powinna przekraczać 50m, aby nie generować dużych błędów odczytu.

Na ekranie niwelatora wyświetla się odczyt i odległość do łaty. Ponadto mamy obiektyw, śruby do wyostrzania obrazu oraz krzyża kresek, libelkę pudełkową, śrubę (leniwkę) koła poziomego i śruby rektyfikacyjne.

Cena zestawu w którego skład wchodzi niwelator, łata i statyw to koszt między 500-10 000 zł. Może dziwić to, że taśma pomiarowa, również znajduje się w tym zestawieniu, jednak jest to jedno z najbardziej dokładnych urządzeń. Dokładność mierzonego punktu, przy odpowiednim naprężeniu taśmy oraz spełnieniu wszelkich norm pomiarowych może wynosić nawet 1mm. Oczywiście nie określimy nią kątów oraz wysokości, ale znakomicie spisuje się podczas pomiaru kontrolnego np. podczas tyczenia budynku, lub chociażby określenia wysokości instrumentu na stanowisku.

Na sam koniec przedstawiam listę urządzeń, które przestały, lub jeszcze nie zaczęły pełnić tak istotnej funkcji w geodezji:

Teodolit to wcześniejsza wersja tachimetru. Służył do mierzenia kątów poziomych i pionowych. W starszych wersjach tego urządzenia samemu trzeba było odczytać wartość kąta poziomego oraz pionowego. Odległość natomiast mierzono przy pomocy stalowej taśmy, odkładając za każdym razem miarę od stanowiska do mierzonego punktu i odnotowując wszystko ręcznie w dzienniku pomiarowym;
Drony wykorzystywane są głównie do opracowań dużych zakresów geodezyjnych, pomiarów terenów ciężko dostępnych, a także pomiarów gdzie wymagana jest bardzo duża ilość pikiet. Aby przygotować się do pracy z tym bezzałogowym statkiem powietrznym należy odbyć odpowiednie szkolenia, które świadczą wyspecjalizowane do tego firmy. Cena takiego sprzętu waha się od 20 do 100 tysięcy złotych.

Podsumowanie

Pomimo wieloletniej obsługi wyżej wymienionych instrumentów geodezyjnych, nie jest łatwo w prosty i szybki sposób przekazać metody jak one działają. Choć obsługa tachimetru czy GPS-a w obecnych czasach naprawdę nie jest trudna, to wykształcenie i doświadczenie jest niezbędne, aby otrzymane wyniki opracować w sposób dokładny i rzetelny, gdyż same instrumenty nie wykonają pracy, którą musi przemyśleć i zaplanować Geodeta.