Стремительное развитие информационных технологий в различных отраслях знаний за последние 10 -15 лет не обошло и такую традиционную область, как геодезия.

Наука, зародившаяся несколько тысяч лет назад и использовавшая основные методы, инструменты в неизменном виде, по крайней мере, на протяжении последних трех столетий, изменилась до неузнаваемости за два десятилетия.

Стремительное развитие информационных технологий в различных отраслях знаний за последние 10 -15 лет не обошло и такую традиционную область, как геодезия.

Наука, зародившаяся несколько тысяч лет назад и использовавшая основные методы, инструменты в неизменном виде, по крайней мере, на протяжении последних трех столетий, изменилась до неузнаваемости за два десятилетия.

Инварную проволоку – традиционный инструмент для измерения длин базисов заменили радио – и светодальномеры, на смену мензуле и теодолиту пришли электронные тахеометры, а появление систем спутниковой навигации GNSS произвело настоящую революцию в теории и практике геодезических измерений.

Наиболее трудоемким процессом геодезического обеспечения территорий высокоточными данными на современном этапе развития техники и технологии является создание и поддержание в рабочем состоянии высокоточных высотных сетей. В частности нивелирование I класса остается одним из самых точных методов проведения полевых работ. Оно составляет главную высотную основу страны и требует особо тщательного и безупречного определения действительной точности проведенного нивелирования и знания характера распределения его ошибок.

Государственные нивелирные сети I и II класса используются для изучения фигуры Земли и ее внешнего гравитационного поля, а также для построения карт высот квазигеоида над общеземным и референцным эллипсоидами. Результаты повторного нивелирования I и II классов применяются для:

• поддержания высотной сети на современном уровне;
• изучения современных вертикальных движений земной поверхности;
• прогнозирования влияния техногенных процессов на окружающую среду, особенно при добыче полезных ископаемых;
• мониторинга за деформациями при строительстве и эксплуатации сложных и уникальных сооружений.

Поэтому, должная высокая точность, как результат высокоточного нивелирования, имеет как техническую, так и экономическую значимость при удовлетворении потребностей народного хозяйства, науки и обороны страны.
Изобретение электронных нивелиров в начале 90 – х годов прошлого века способствовало вхождению нивелирования в новую эру.

Его особенностью является автоматическое электронное считывание информации с кодированных реек, запись данных во внутреннюю память нивелира с дальнейшей передачей их для камеральной обработки на персональном компьютере. В массовом производстве в достаточном количестве имеются электронные нивелиры, однако, нет ни одного нормативного документа, определяющего порядок работы с этим типом инструментов.

Традиционные методики, описанные в инструкциях, руководствах и т.п., создавались исходя из предпосылки превалирования действия случайных ошибок измерений, основным источником которых являлись процессы, связанные с личными ошибками исполнителей. Методика измерений, описанная в существующей инструкции, ориентирована на меры борьбы с ошибками, большинство из которых в цифровых приборах отсутствуют, однако на результаты начинают влиять систематические ошибки. В производстве получают невязки, формально допустимые, но с превалированием одного знака.

Оптические нивелиры, хотя и являются высокоточными механическими инструментами, имеют довольно простое устройство. Поэтому нам не составляет большого труда обнаружить конструкторские погрешности и устранить их. Введя поправку за различие температуры реек при эталонировании на компараторе и при нивелировании, а также поправку за отличие средней длины метра комплекта реек от номинала, мы можем говорить о достоверности своих измерений.

Сегодня же производители до конца не раскрывают точность изготовления своей продукции, главным образом из – за ее высокой цены. Нивелиры и рейки проверяются и калибруются на заводе - изготовителе, там же вводятся поправки в программы измерений и все это держится в секрете в коммерческих целях. При этом у каждого производителя есть свой метод считывания информации с рейки, поэтому, не имея специального оборудования нам пользователям не представляется возможным выявить и устранить существующие погрешности.

Исследования современных геодезических приборов показали, что точность измерения цифровыми нивелирами определяется как погрешностями самого нивелира, так и качеством штрих-кодовых реек. Это означает, что код, нанесенный на рейку, должен как можно более точно совпадать со своей теоретической моделью. В отличие от обычных нивелирных реек, где за каждым штрихом шкалы закреплена определенная линейная мера, визуальное отсчитывание по штрих-кодовым рейкам невозможно.

Более того, в процессе отсчитывания принимает участие последовательность из многих штрихов различной ширины (не менее 30 см). Поэтому традиционные методы поверок здесь не работают. В то же время мировая практика показывает, что существует как минимум два метода поверки высокоточных штрих-кодовых реек:
1) поверка положения отдельных штрихов кода и их ширины, т. е. точности нанесения штрихов в процессе изготовления и коэффициента линейного расширения инварной рейки; в этом случае контролируют положения отдельных штрихов кода, сравнивая их фактические значения с теоретическими;

2) оценка точности измерительной системы «нивелир - рейка» путем сравнения разностей отсчетов, взятых по рейке цифровым нивелиром, с эталонными разностями, полученными с помощью лазерного интерферометра.
Эти методы предусматривают определение накопленной погрешности измерения превышения, как самой нивелирной рейки, так и системы «нивелир - рейка» и подразумевают использование дорогостоящих горизонтальных либо вертикальных интерференционных компараторов.

С помощью микроскопа такого компаратора, имеющего фотоприемник, определяется поло¬жение линий перехода от светлого поля кода к темному и, наоборот, от темного к светлому, т. е. определяются положения краев штрихов кода. После определения положений краев штриха кода рассчитывается положение его средней линии и сравнивается с истинным значением.

В результате этого сравнения выявляются отклонения положения штрихов от истинного значения. Данная методика позволяет оценивать правильность нанесения всех штрихов кода, а именно, определять их сдвиг и изменение ширины. Допустимое отклонение положения штриха от истинного положения, согласно стандарту ISO 9000 DIN 18717, не должно превышать

Ds = ± (0,02+s*2* 10^-5) [мм]   (1)

где s – длина рейки в метрах.

Интерференционный компаратор для поверок реек позволяет выполнять измерения со средним квадратическим отклонением mS < 0,01 мм.

Со временем электронное считывающее устройство нивелира изнашивается, а на штрих – кодах реек появляются царапины и потертости, что приводит к изменению масштабного коэффициента, как нивелира, так и рейки. И поэтому здесь нужно говорить о калибровке системы «нивелир – рейка».

При поверке за истинное (эталонное) значение принимается величина перемещения рейки, определяемая с помощью лазерного интерферометра. Истинное значение сравнивается с величиной, полученной как разность отсчетов по рейке, полученных цифровым нивелиром. Поверка выполняется полностью в автоматическом режиме, так как автоматизированы процессы передачи информации от исследуемого нивелира через серийный порт и от интерферометра в управляющий процессом измерений компьютер и последующая обработка этой информации.

Предпочтительнее выполнять поверку системы «нивелир - кодовая рейка», используя вертикальный компаратор, так как рейка находится в рабочем положе¬нии. При использовании горизонтального компаратора существует необходимость применять зеркало для отклонения ви¬зирного луча на 90°, которое может вносить дополнительные погрешности при поверке вследствие возможных изменений своего положения и волновых аберраций.

Такой компаратор сконструирован в МИИГАиК (Россия). Вертикальный компаратор с константой 20 C и горизонтальный компаратор с климатической камерой, где можно проводить калибровку при температурах -10С до +60С есть в геодезической лаборатории Технического университета Мюнхена (Германия). Подобная установка есть в Финском геодезическом институте (FIG, Финляндия), а также в Стэндфордском центре линейного ускорителя (SLAC, США).

Ограниченная география говорит об уникальности и высокой стоимости этих компараторов.

В Республике Беларусь интерференционного компаратора пока нет, следовательно, и поверок, с помощью технологий описанных выше, также нет возможности сделать. Поэтому, вся высокоточная нивелировка, выполняемая электронными нивелирами, носит предварительный характер.

Вывод.

В Республике Беларусь существует обоснованная необходимость разработки нормативного документа, дополняющего существующую Инструкцию на случай применения электронных нивелиров.
В этом нормативном документе должны найти отражение следующие основные разделы:

1. Методика метрологической аттестации нивелиров и реек. Регламент метрологической аттестации. Процедура введения метрологических поправок.
2. Требования к приборам, допускаемых к проведению высокоточных работ.
3. Методика поверок нивелиров и реек, выполняемых исполнителем в процессе производственных работ. Регламент этих поверок.
4. Особенности методики работы на станции в зависимости от класса точности. Допуски при работе на станции и их учет. Контрольные записи в журнале.
5. Особенности методики полевых и камеральных работ при выполнении повторных циклов измерений, например, при геодинамических исследованиях.
6. Порядок передачи результатов полевых измерений для их камеральной обработки.
7. Предварительная оценка результатов измерений. Определение участков, на которых необходимо повторить полевые измерения.
8. Методика уравнивания результатов геодезических измерений с превалирующим влиянием систематических источников ошибок.