Теодолит - Theodolite

Теодолит с прямым считыванием показаний, изготовленный в Советском Союзе в 1958 году и используемый для топографической съемки.
Студент, использующий теодолит в поле

А теодолит /θяˈɒdəлаɪт/ прецизионный оптический прибор для измерения углы между обозначенными видимыми точками в горизонтальный и вертикальный самолеты. Традиционное использование было для землеустройство, но они также широко используются для строительство зданий и инфраструктуры и некоторые специализированные приложения, такие как метеорология и запуск ракеты.[1]

Он состоит из подвижного телескоп установлен так, чтобы он мог вращаться по горизонтали и вертикали топоры и обеспечить угловые отсчеты. Они указывают ориентацию телескопа и используются для соотнесения первой точки, увиденной через телескоп, с последующими наблюдениями других точек из того же положения теодолита. Эти углы могут быть измерены с точностью до микрорадианы или же секунды дуги. По этим показаниям можно составить план или расположить объекты в соответствии с существующим планом. Современный теодолит превратился в так называемый тахеометр где углы и расстояния измеряются электронным способом и считываются непосредственно в память компьютера.

В транзитном теодолите телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться через зенит, в противном случае для нетранспортных инструментов по вертикали (или высоте) вращение ограничено ограниченной дугой.

В оптический уровень иногда ошибочно принимают за теодолит, но он не измеряет вертикальные углы и используется только для выравнивание на горизонтальная плоскость (хотя часто сочетается со средней точностью измерения горизонтального диапазона и направления).

Принцип работы

Оси и круги теодолита
Схема оптического теодолита считывания

Подготовка к наблюдению

Основная статья: Временная регулировка теодолитов

Временные настройки - это набор операций, необходимых для подготовки теодолита к наблюдению на станции. К ним относятся его настройка, центрирование, выравнивание и устранение параллакса, и они выполняются в четыре этапа:

  • Установка: закрепление теодолита на штативе с примерным выравниванием и центрированием над отметкой станции.
  • Центрирование: перемещение вертикальной оси теодолита непосредственно над отметкой станции с помощью центрирующей пластины, также известной как трегер.
  • Нивелирование: выравнивание основания инструмента для вертикальной вертикальной оси, обычно с помощью встроенного пузырькового уровня.
  • Фокусировка: удаление параллакс ошибка из-за правильной фокусировки объектива и окуляра. Окуляр требует регулировки только один раз на станции. Цель будет перефокусирована для каждого последующего наблюдения с этой станции из-за разного расстояния до цели.

Наблюдения

Наблюдения производит геодезист, который регулирует вертикальную и горизонтальную угловую ориентацию телескопа так, чтобы перекрестие совместите с желаемой точкой визирования. Оба угла считываются и записываются на открытых или внутренних шкалах. Затем происходит визирование и запись следующего объекта без изменения положения инструмента и штатива.

Самые ранние угловые отсчеты были с открытого нониусные весы прямо видны глазу. Постепенно эти весы были закрыты для обеспечения физической защиты и, наконец, стали косвенными оптическими считывающими устройствами с запутанными световыми путями, чтобы доставить их в удобное место на приборе для просмотра. Современные цифровые теодолиты имеют электронные дисплеи.

Ошибки измерения

Ошибка индекса
Углы по вертикальной оси должны составлять 90.° (100 град ), когда ось прицела горизонтальна, или 270 ° (300 градусов) при перемещении инструмента. Половина разницы между двумя позициями называется ошибкой индекса. Это можно проверить только на транзитных инструментах.
Ошибка горизонтальной оси
Горизонтальная и вертикальная оси теодолита должны быть перпендикулярны; в противном случае существует ошибка горизонтальной оси. Это можно проверить, выровняв трубчатый пузырек спирта параллельно линии между двумя подъемными винтами и установив центральный пузырек. Ошибка горизонтальной оси присутствует, если пузырек выходит за пределы центра, когда трубчатый пузырек спирта переворачивается (поворачивается на 180 °). Для регулировки оператор удаляет половину того количества, которое стекал пузырек, с помощью регулировочного винта, затем повторно выравнивает, проверяет и уточняет регулировку.
Ошибка коллимации
Оптическая ось телескопа также должна быть перпендикулярна горизонтальной оси. Если нет, то существует коллимационная ошибка.

Ошибка индекса, ошибка горизонтальной оси (ошибка оси вращения) и коллимационная ошибка обычно определяется калибровка и снимаются механической регулировкой. Их наличие учитывается при выборе методики измерения, чтобы исключить их влияние на результаты измерений теодолита.

История

Историческое прошлое

Большой теодолит Джесси Рамсдена 1787 года
Теодолит 1851 года, показывающий открытую конструкцию, а также шкалы высоты и азимута, которые считываются непосредственно
Теодолит транзитного типа с шестидюймовыми кругами, производство Великобритании ок. 1910 г., компания Troughton & Simms
Тедолит Wild T2, первоначально разработанный Генрихом Вильдом в 1919 году.

До теодолита такие инструменты, как грома, геометрический квадрат и диоптрия, и различные другие выпускные кружки (см. окружающий ) и полукруги (см. графометр ) использовались для измерения вертикального или горизонтального угла. Со временем их функции были объединены в один инструмент, который мог измерять оба угла одновременно.

Разделенный теодолит Wild, показывающий сложные световые пути для оптического считывания, и закрытая конструкция

Первое упоминание слова «теодолит» встречается в геодезия учебник Геометрическая практика под названием Пантометрия (1571) пользователя Леонард Диггес.[2] В источник слова неизвестно. Первая часть Новая латынь Теоделитус может проистекать из Греческий θεᾶσθαι, "созерцать или внимательно смотреть"[3] Вторую часть часто приписывают ненаучному варианту греческого слова: δῆλος, что означает "очевидный" или "ясный",[4][5] Были предложены другие ново-латинские или греческие производные, а также английское происхождение от " алидада " [6]

Ранние предшественники теодолита иногда азимут инструменты для измерения горизонтальных углов, в то время как другие имели альтазимутальное крепление для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Грегориус Райш проиллюстрировал альтазимутальный инструмент в приложении к своей книге 1512 г. Маргарита Философская.[2]. Мартин Вальдземюллер, а топограф и картограф сделал устройство в том году[7] называя это полиметрум.[8]В книге Диггеса 1571 года термин «теодолит» применялся к инструменту для измерения только горизонтальных углов, но он также описал инструмент, который измерял высоту и азимут, который он назвал топографический инструмент [sic ].[9] Возможно, первым прибором, приближенным к истинному теодолиту, был построен Джошуа Хабемель в 1576 году, в комплекте с компасом и треногой.[7] 1728 г. Циклопедия сравнивает "графометр "к" полутеодолиту ".[10] Еще в 19 веке прибор для измерения только горизонтальных углов назывался простой теодолит и инструмент альтазимута, простой теодолит.[11]

Первый прибор, сочетающий в себе основные черты современного теодолита, был построен в 1725 г. Джонатан Сиссон.[11] Этот инструмент имел альтазимутальную монтировку с прицельным прицелом. Днище имели уровни духа, компас и регулировочные винты. Круги читались с нониусная шкала.

Разработка теодолита

Теодолит стал современным точным инструментом в 1787 году с появлением Джесси Рамсден знаменитый великий теодолит, который он создал с помощью очень точного разделительный двигатель собственного дизайна.[11] Инструменты Рамсдена использовались для Основная триангуляция Великобритании. В то время инструменты высочайшей точности производились в Англии такими производителями, как Эдвард Тротон. [12] Позже первые практические немецкие теодолиты были изготовлены Брайтгауптом совместно с Utzschneider, Райхенбах и Фраунгофер.[13]

По мере развития технологий вертикальный частичный круг был заменен полным кругом, а вертикальные и горизонтальные круги были точно градуированы. Это был транзитный теодолит. Этот тип теодолита был разработан на основе астрономических исследований 18 века. Транзитные инструменты используется для измерения точного положения звезд. Технология была перенесена на теодолиты в начале 19 века такими производителями инструментов, как Эдвард Тротон и Уильям Симмс[14] и стал стандартным дизайном теодолита. Разработка теодолита была вызвана особыми потребностями. В 1820-х годах прогресс в национальных геодезических проектах, таких как Обследование боеприпасов в Великобритании возникла потребность в теодолитах, способных обеспечить достаточную точность для крупномасштабной триангуляции и картирования. В Обзор Индии в то время возникла потребность в более прочных и стабильных приборах, таких как Эверест узор теодолита с его нижним центром тяжести.

Инженеры-железнодорожники, работавшие в 1830-х годах в Великобритании, обычно называли теодолит «транзитом».[15] 1840-е годы стали началом периода быстрого строительства железных дорог во многих частях мира, что привело к высокому спросу на теодолиты везде, где строились железные дороги.[16]Он также был популярен среди американских инженеров-железнодорожников, продвигавшихся на запад, и заменил железную дорогу. компас, секстант и октант. Позже теодолиты были адаптированы для более широкого круга применений. В 1870-х годах интересная версия теодолита на водной основе (с использованием маятникового устройства для противодействия волновому движению) была изобретена Эдвард Сэмюэл Ричи.[17] Он использовался ВМС США для первых точных съемок американских гаваней на побережье Атлантического океана и Персидского залива.[18]

В начале 1920-х годов произошли скачкообразные изменения в конструкции теодолита с появлением модели Wild T2 производства компании Дикий Хербругг. Генрих Вильд разработал теодолит с разделенными стеклянными кругами, показания которых с обеих сторон были представлены в одном окуляре рядом с телескопом, так что наблюдателю не приходилось двигаться, чтобы их прочитать. Инструменты Wild были не только меньше, проще в использовании и точнее, чем у современных конкурентов, но и были защищены от дождя и пыли. Канадские геодезисты сообщили, что, хотя Wild T2 с кругами диаметром 3,75 дюйма не смог обеспечить точность для первичной триангуляции, он был равен по точности традиционной конструкции 12 дюймов.[19] Инструменты Wild T2, T3 и A1 производились много лет.

В 1926 г. конференция проходила в г. Тависток в Девон, Великобритания, где дикие теодолиты сравнивали с британскими. Продукт Wild превзошел британские теодолиты, поэтому такие производители, как Кук, Тротон и Симмс и Hilger & Watts взяться за повышение точности своих продуктов, чтобы соответствовать их конкурентам. Кук, Тротон и Симмс разработали теодолит с узором Тависток, а затем и теодолит. Виккерс Т. 22.[20]

Wild продолжил разработку DK1, DKM1, DM2, DKM2 и DKM3 для Kern Компания Аарау. С постоянным совершенствованием инструменты постепенно превратились в современный теодолит, используемый геодезистами сегодня. К 1977 году Wild, Kern и Hewlett-Packard предлагали «Тахеометры», которые сочетали в себе угловые измерения, электронное измерение расстояния и функции микрочипа в одном устройстве.

Исследование теодолита

Работа в геодезии

Основная статья: Триангуляция (съемка)
Национальная геодезическая служба США техников, наблюдающих с 0,2 угловая секунда (≈ 0.001 мрад или 1 мкрад) Теодолит Wild T3, установленный на наблюдательной стойке. Фотография сделана во время полевой вечеринки в Арктике (около 1950 г.).

Триангуляция, как изобретено Джемма Фризиус ок. 1533 г., состоит из построения таких схем направления окружающего ландшафта с двух разных точек зрения. Два графических листа накладываются друг на друга, обеспечивая масштабную модель ландшафта или, скорее, целей в нем. Истинный масштаб может быть получен путем измерения одного расстояния как на реальной местности, так и в графическом представлении.

Современная триангуляция, как, например, практикуется Снеллиус, это та же процедура, выполняемая числовыми средствами. Фотограмметрическая блокировка стереопар аэрофотоснимков - современный трехмерный вариант.

В конце 1780-х гг. Джесси Рамсден, йоркширец из Галифакс, Англия, разработавшая разделительный двигатель для деления угловых шкал с точностью до секунды дуги (≈ 0,0048 мрад или 4,8 мкрад), был заказан для создания нового прибора для британцев. Обследование боеприпасов. В Рамсден теодолит был использован в течение следующих нескольких лет для картирования всей южной Британия по триангуляции.

В сетевых измерениях использование принудительного центрирования ускоряет операции при сохранении высочайшей точности. Теодолит или цель могут быть быстро удалены или вставлены в пластину принудительного центрирования с точностью до миллиметра. Настоящее время GPS антенны, используемые для геодезическое позиционирование используйте аналогичную систему крепления. Высота опорной точки теодолита-или-мишени над землей ориентир должны быть точно измерены.

Транзитный теодолит

Период, термин транзитный теодолит, или же транзит для краткости, относится к типу теодолита, в котором телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться по полному кругу вокруг своей горизонтальной оси, а также вокруг своей вертикальной оси. Он имеет вертикальный круг, градуированный на полные 360 градусов, и телескоп, который может «переворачиваться» («проходить через прицел»). Путем поворота телескопа и одновременного поворота инструмента на 180 градусов вокруг вертикальной оси инструмент можно использовать в режимах «пластина-левая» или «пластина-правая» («пластина» относится к вертикальному кругу транспортира). Измеряя одинаковые горизонтальные и вертикальные углы в этих двух режимах и затем усредняя результаты, можно устранить ошибки центрирования и коллимации в приборе. Некоторые транзитные приборы способны считывать углы с точностью до тридцати угловых секунд (≈ 0,15 мрад ). Современные теодолиты обычно имеют конструкцию транзитного теодолита, но гравированные пластины были заменены стеклянными пластинами, предназначенными для чтения с помощью светодиоды и компьютерная схема, значительно повышающая точность до угловой секунды (≈ 0,005 мрад ) уровней.

Использование с метеозондом

Существует долгая история использования теодолита для измерения ветра на высоте с использованием специально изготовленных теодолитов для отслеживания горизонтальных и вертикальных углов специальных погодных шаров, называемых потолочные шары или же пилотные воздушные шары (пибал). Первые попытки сделать это были сделаны в первые годы девятнадцатого века, но инструменты и процедуры были полностью разработаны только сто лет спустя. Этот метод широко использовался во время Второй мировой войны и после нее, а с 1980-х годов постепенно был заменен системами измерения радио и GPS.

В теодолите pibal используется призма для изгиба оптического пути на 90 градусов, поэтому положение глаза оператора не меняется при изменении угла места на полные 180 градусов. Теодолит обычно устанавливается на прочную стальную подставку, установленную так, чтобы она была ровной и направленной на север, а шкала высоты и азимута показывала ноль градусов. Воздушный шар выпускается перед теодолитом, и его положение точно отслеживается, обычно раз в минуту. Воздушные шары тщательно сконструированы и наполнены, поэтому скорость их подъема может быть известна заранее. Математические расчеты времени, скорости подъема, азимута и угловой высоты могут дать хорошие оценки скорости и направления ветра на различных высотах.[21]

Современные электронные теодолиты

Типичный современный электронный теодолит: Nikon DTM-520

В современных электронных теодолитах считывание горизонтальных и вертикальных кругов обычно осуществляется с помощью поворотный энкодер. Они генерируют сигналы, указывающие высоту и азимут телескопа, которые передаются на микропроцессор. CCD датчики добавлены в фокальная плоскость из телескоп позволяя как автоматическое наведение, так и автоматическое измерение остаточного смещения цели. Все это реализовано во встроенном программном обеспечении процессора.

Многие современные теодолиты оснащены встроенными оптико-электронными приборами для измерения расстояния, обычно инфракрасный на основе, что позволяет производить измерения за один шаг в полном трехмерном векторов - хотя и определяется инструментом полярные координаты, которая затем может быть преобразована в уже существующую систему координат в области с помощью достаточного количества контрольных точек. Этот метод называется резекция решение или бесплатная съемка местоположения станции и широко используется при картографической съемке.

Такие инструменты представляют собой «интеллектуальные» теодолиты, называемые саморегистрирующимися. тахеометры или в просторечии "тахеометры ", и выполнить все необходимые вычисления углов и расстояний, а результаты или необработанные данные могут быть загружены на внешние процессоры, такие как защищенные ноутбуки, КПК или же программируемые калькуляторы[22]

Гиротеодолиты

Основная статья: гиротеодолит

А гиротеодолит используется, когда опорный пеленг меридиана с севера на юг требуется в отсутствие астрономических прицелов. Это происходит в основном в подземной горнодобывающей промышленности и при строительстве туннелей. Например, там, где водовод должен проходить под рекой, вертикальный вал на каждой стороне реки может быть соединен горизонтальным туннелем. Гиротеодолит можно использовать на поверхности, а затем снова у основания валов, чтобы определить направления, необходимые для туннелирования между основанием двух валов. В отличие от искусственного горизонта или инерциальной навигационной системы, гиротеодолит не может быть перемещен во время работы. Он должен быть перезапущен снова на каждом сайте.

Гиротеодолит представляет собой обычный теодолит с приставкой, содержащей гирокомпас, устройство, которое определяет вращение Земли, чтобы найти истинный север и таким образом, в сочетании с направлением силы тяжести, плоскость меридиана. Меридиан - это плоскость, которая содержит как ось вращения Земли, так и наблюдателя. Пересечение меридиональной плоскости с горизонталью определяет истинное направление север-юг, найденное таким образом. В отличие от магнитного компасы, гирокомпасы умеют находить истинный север, направление поверхности к северному полюсу.

Гиротеодолит будет функционировать на экваторе, а также в северном и южном полушариях. На географических полюсах меридиан не определен. Гиротеодолит не может использоваться на полюсах, где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси спиннера, на самом деле он обычно не используется в пределах примерно 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком велик. маленький, чтобы он работал надежно. Когда это возможно, астрономические прицелы могут определять пеленг меридиана с точностью, более чем в сто раз превышающей точность гиротеодолита. Там, где эта дополнительная точность не требуется, гиротеодолит может быстро получить результат без необходимости ночных наблюдений.

Смотрите также

Производители

Рекомендации

  1. ^ Тьер, Норман (март 1962 г.), "Двойная оценка теодолита Пибала с помощью компьютера", Журнал прикладной метеорологии и климатологии, Американское метеорологическое общество, 1 (1): 66–68, Дои:10.1175 / 1520-0450 (1962) 001 <0066: DTPEBC> 2.0.CO; 2
  2. ^ а б Даума, Морис, Научные инструменты семнадцатого и восемнадцатого веков и их создатели, Портман Букс, Лондон 1989 ISBN  978-0-7134-0727-3
  3. ^ Феомаи - греческий лексикон
  4. ^ "languagehat.com: ТЕОДОЛИТ". languagehat.com.
  5. ^ "Поверьте, выпуск 16". takeourword.com.
  6. ^ Melivll, E.H.V. (1909). «Происхождение слова« Теодолит »"". Природа. 81 (2087): 517–518. Дои:10.1038 / 081517b0.
  7. ^ а б Коломбо, Луиджи; Сельвини, Аттилио (1988). Sintesi di una storia degli Strumenti per la misura topografica [Краткое изложение истории инструментов топографических измерений] (на итальянском). Архивировано из оригинал 13 ноября 2007 г.
  8. ^ Миллс, Джон ФитцМорис, Энциклопедия старинных научных инструментов, Aurum Press, Лондон, 1983, ISBN  0-906053-40-4
  9. ^ Тернер, Жерар L'E., Елизаветинские производители приборов: истоки лондонской торговли точными приборами, Oxford University Press, 2000 г., ISBN  978-0-19-856566-6
  10. ^ Циклопедия, т. 2 шт. 50 за "Полукруг"
  11. ^ а б c Тернер, Жерар Л'Э. Научные инструменты девятнадцатого века, Публикации Сотби, 1983, ISBN  0-85667-170-3
  12. ^ Анита МакКоннелл, Производители инструментов в мире Стр. 6-44 ISBN  978-1850720966
  13. ^ Ральф Керн: Wissenschaftliche Instrumente in ihrer Zeit / Band 4: Perfektion von Optik und Mechanik. Кельн, 2010, стр. 349–360.
  14. ^ МакКоннеллс, Анита (1992). Производители инструментов в мире. Сессии. С. 6–24. ISBN  9781850720966.
  15. ^ Кондер, ФР (1983). Люди, построившие железные дороги (репринт 1837 г.). Томас Телфорд. С. 4–56. ISBN  9780727701831.
  16. ^ Анита МакКоннелл, Производители инструментов в мире Стр. 123–125 ISBN  978-1850720966
  17. ^ Американская академия искусств и наук, Труды Американской академии искусств и наук, Vol. XXIII, май 1895 - май 1896, Бостон: University Press, John Wilson and Son (1896), стр. 359–360
  18. ^ Американская академия, стр. 359–360.
  19. ^ Анита МакКоннелл, Производители инструментов в мире Стр. 79-80 ISBN  978-1850720966
  20. ^ Анита МакКоннелл, Производители инструментов в мире Стр. 80-82 ISBN  978-1850720966
  21. ^ Бреннер, Мартин (25 ноября 2009 г.). "Экспериментальный метеорологический шар (Пибал) оптические теодолиты". Ресурсы Мартина Бреннера по пилотным воздушным шарам. Калифорнийский государственный университет, Лонг-Бич. Получено 2014-07-25.
  22. ^ Пайва, Джозеф В. (2004-10-01). «Конец эпохи - о происхождении, жизни и смерти HP 48». Точка начала (PoB). BNP Media. Получено 2015-10-20.

внешняя ссылка