Theodolit - Theodolite
A Theodolit / θ í ɒ d ə l aɪ t / ist ein optisches Präzisionsinstrument zum Messen der Winkel zwischen dem benannten sichtbaren Punkten in den horizontalen und vertikalen Ebenen. Die traditionelle Verwendung war die Landvermessung , aber sie werden auch in großem Umfang für den Gebäude- und Infrastrukturbau und einige spezielle Anwendungen wie Meteorologie und Raketenstart verwendet .
Es besteht aus einem beweglichen Teleskop, das so montiert ist, dass es sich um horizontale und vertikale Achsen drehen und Winkelanzeigen liefern kann. Diese geben die Ausrichtung des Teleskops an und werden verwendet, um den ersten durch das Teleskop anvisierten Punkt mit nachfolgenden Zielen anderer Punkte von derselben Theodolitenposition aus in Beziehung zu setzen. Diese Winkel können mit Genauigkeiten bis hinunter zu Mikroradian oder Bogensekunden gemessen werden . Aus diesen Messwerten kann ein Plan erstellt oder Objekte nach einem bestehenden Plan positioniert werden. Die moderne Theodolit hat sich weiterentwickelt in das, was als bekannt ist , Tachymeter , wo Winkel und Abstände elektronisch gemessen werden und werden direkt an Computerspeicher eingelesen.
Bei einem Transit-Theodoliten ist das Teleskop kurz genug, um sich um die Zapfenachse zu drehen und das Teleskop durch die vertikale Ebene durch den Zenit zu drehen ; Bei Instrumenten ohne Durchgangsverkehr ist die vertikale Drehung auf einen begrenzten Bogen beschränkt.
Das optische Nivellier wird manchmal mit einem Theodoliten verwechselt, aber es misst keine vertikalen Winkel und wird nur zum Nivellieren auf einer horizontalen Ebene verwendet (obwohl oft mit mittelgenauen horizontalen Entfernungs- und Richtungsmessungen kombiniert).
Funktionsprinzipien
Vorbereitung für Sichtungen
Temporäre Anpassungen sind eine Reihe von Operationen, die erforderlich sind, um einen Theodoliten für die Beobachtung an einer Station vorzubereiten. Diese umfassen das Aufstellen, Zentrieren, Nivellieren und Eliminieren der Parallaxe und werden in vier Schritten erreicht:
- Aufstellen: Befestigung des Theodoliten auf einem Stativ mit ungefährer Nivellierung und Zentrierung über der Stationsmarke.
- Zentrieren: Bringen der vertikalen Achse des Theodoliten unmittelbar über Station Markierung eine Zentrierplatte Verwendung auch als bekannt Dreifuß .
- Nivellierung: Nivellierung des Gerätebodens, um die vertikale Achse in der Regel mit einer eingebauten Wasserwaage vertikal zu machen.
- Fokussierung: Beseitigung von Parallaxenfehlern durch richtige Fokussierung von Objektiv und Okular. Das Okular muss nur einmal an einer Station justiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen zum Ziel wird das Objektiv für jede weitere Sichtung von dieser Station aus neu fokussiert.
Sichtungen
Die Sichtungen werden vom Vermesser vorgenommen, der die vertikale und horizontale Winkelausrichtung des Teleskops so anpasst, dass das Fadenkreuz mit dem gewünschten Zielpunkt ausgerichtet ist. Beide Winkel werden entweder von exponierten oder internen Skalen abgelesen und aufgezeichnet. Das nächste Objekt wird dann anvisiert und aufgezeichnet, ohne die Position von Instrument und Stativ zu verschieben.
Die frühesten Winkelanzeigen stammten von offenen Nonius-Skalen, die mit dem Auge direkt sichtbar waren. Nach und nach wurden diese Skalen zum physischen Schutz eingeschlossen und wurden schließlich zu einer indirekten optischen Anzeige mit gewundenen Lichtwegen, um sie an einen geeigneten Ort auf dem Instrument zum Betrachten zu bringen. Die modernen digitalen Theodoliten haben elektronische Anzeigen.
Messfehler
- Indexfehler
- Die Winkel auf der vertikalen Achse sollten 90 ° (100 Grad ) betragen, wenn die Visierachse horizontal ist, oder 270° (300 Grad), wenn das Instrument bewegt wird. Die Hälfte der Differenz zwischen den beiden Positionen wird als Indexfehler bezeichnet. Dies kann nur an Transitinstrumenten überprüft werden.
- Horizontalachsenfehler
- Die horizontalen und vertikalen Achsen eines Theodoliten müssen senkrecht sein; wenn nicht, liegt ein horizontaler Achsenfehler vor. Dies kann getestet werden, indem die röhrenförmige Spiritusblase parallel zu einer Linie zwischen zwei Fußschrauben ausgerichtet und die Blase mittig eingestellt wird. Ein horizontaler Achsenfehler liegt vor, wenn die Blase beim Umkehren der röhrenförmigen Spiritusblase (um 180° gedreht) mittig abläuft. Zum Einstellen entfernt der Bediener die Hälfte der abgelaufenen Blase mit der Einstellschraube, dann nivelliert, testet und verfeinert die Einstellung.
- Kollimationsfehler
- Die optische Achse des Teleskops muss ebenfalls senkrecht zur horizontalen Achse stehen. Wenn nicht, liegt ein Kollimationsfehler vor.
Indexfehler, Horizontalachsenfehler ( Zapfenachsenfehler ) und Kollimationsfehler werden regelmäßig durch Kalibrierung bestimmt und durch mechanische Justierung beseitigt. Ihre Existenz wird bei der Wahl des Messverfahrens berücksichtigt, um deren Einfluss auf die Messergebnisse des Theodoliten zu eliminieren.
Geschichte
Historischer Hintergrund
Vor dem Theodolit wurden Instrumente wie Groma , geometrisches Quadrat und Dioptra sowie verschiedene andere Teilkreise (siehe Umkreis ) und Halbkreise (siehe Graphometer ) verwendet, um entweder vertikale oder horizontale Winkelmessungen zu erhalten. Im Laufe der Zeit wurden ihre Funktionen zu einem einzigen Instrument kombiniert, das beide Winkel gleichzeitig messen konnte.
Das erste Auftreten des Wortes „Theodolit“ in der gefundene Vermessungslehrbuch Einer geometrische Praxis namens Pantometria (1571) von Leonard Digges . Der Ursprung des Wortes ist unbekannt. Der erste Teil des Neue Latein theo-delitus könnte aus dem Stamm griechischen θεᾶσθαι „zu sehen oder sehen aufmerksam auf“ Der zweite Teil oft zu einer unscholarly Variation des griechischen Wortes zugeschrieben wird: δῆλος , das heißt „evident“ oder „clear“ , Andere neulateinische oder griechische Ableitungen wurden vorgeschlagen sowie ein englischer Ursprung von "the alidade "
Die frühen Vorläufer des Theodoliten waren manchmal Azimut- Instrumente zur Messung von Horizontalwinkeln, während andere eine Altazimut-Montierung zur Messung von Horizontal- und Vertikalwinkeln hatten. Gregorius Reisch illustrierte im Anhang seines 1512 erschienenen Buches Margarita Philosophica ein Altazimut-Instrument . Martin Waldseemüller , ein Topograph und Kartograph, machte das Gerät in diesem Jahr und nannte es das Polimetrum . In Digges' Buch von 1571 wurde der Begriff "Theodolit" auf ein Instrument zur Messung nur horizontaler Winkel angewendet, aber er beschrieb auch ein Instrument, das sowohl Höhe als auch Azimut maß, das er ein topographisches Instrument [ sic ] nannte. Möglicherweise war das erste Instrument, das einem echten Theodoliten nahe kam, das 1576 von Joshua Habemel gebaute Instrument , komplett mit Kompass und Stativ. Die Cyclopaedia von 1728 vergleicht " Graphometer " mit " Halbtheodolit ". Noch im 19. Jahrhundert wurde das Instrument zur Messung nur horizontaler Winkel als einfacher Theodolit und das Altazimut-Instrument als einfacher Theodolit bezeichnet .
Das erste Instrument, das die wesentlichen Merkmale des modernen Theodoliten vereint, wurde 1725 von Jonathan Sisson gebaut . Dieses Instrument hatte eine Altazimut-Montierung mit einem Zielfernrohr. Die Grundplatte hatte Wasserwaagen, Kompass und Einstellschrauben. Die Kreise wurden mit einer Noniusskala abgelesen .
Entwicklung des Theodoliten
Der Theodolit wurde 1787 mit der Einführung von Jesse Ramsdens berühmtem großen Theodoliten , den er mit einem sehr genauen Teilungsmotor seiner eigenen Konstruktion erstellte, zu einem modernen, präzisen Instrument . Ramsdens Instrumente wurden für die Principal Triangulation of Great Britain verwendet . Zu dieser Zeit wurden in England die höchsten Präzisionsinstrumente von Herstellern wie Edward Troughton hergestellt . Später wurden die ersten praktischen deutschen Theodoliten von Breithaupt zusammen mit Utzschneider , Reichenbach und Fraunhofer hergestellt .
Mit fortschreitender Technik wurde der vertikale Teilkreis durch einen Vollkreis ersetzt und sowohl vertikale als auch horizontale Kreise wurden fein abgestuft. Dies war der Transit-Theodolit . Diese Art von Theodolit wurde aus astronomischen Transitinstrumenten des 18. Jahrhunderts entwickelt , die verwendet wurden, um genaue Sternpositionen zu messen. Die Technologie wurde Anfang des 19. Jahrhunderts von Instrumentenbauern wie Edward Troughton und William Simms auf Theodoliten übertragen und wurde zum Standarddesign von Theodoliten. Die Entwicklung des Theodoliten wurde durch spezifische Bedürfnisse vorangetrieben. In den 1820er Jahren führten Fortschritte bei nationalen Vermessungsprojekten wie dem Ordnance Survey in Großbritannien dazu, dass Theodoliten erforderlich waren, die eine ausreichende Genauigkeit für groß angelegte Triangulation und Kartierung bieten. Die Survey of India zu dieser Zeit erforderte robustere und stabilere Instrumente wie den Everest- Theodoliten mit seinem niedrigeren Schwerpunkt.
Eisenbahningenieure, die in den 1830er Jahren in Großbritannien arbeiteten, bezeichneten einen Theodoliten allgemein als "Transit". Die 1840er Jahre waren der Beginn einer Zeit des schnellen Eisenbahnbaus in vielen Teilen der Welt, die überall dort, wo Eisenbahnen gebaut wurden, zu einer großen Nachfrage nach Theodoliten führte. Es war auch beliebt bei den amerikanischen Eisenbahningenieure Westen drängen, und es ersetzt die Eisenbahn Kompass , Sextant und Oktanten . Theodoliten wurden später an eine breitere Vielfalt von Halterungen und Verwendungen angepasst. In den 1870er Jahren wurde von Edward Samuel Ritchie eine interessante wasserbasierte Version des Theodoliten erfunden (mit einem Pendelgerät, um der Wellenbewegung entgegenzuwirken) . Es wurde von der US Navy verwendet, um die ersten Präzisionsvermessungen amerikanischer Häfen an der Atlantik- und Golfküste durchzuführen.
In den frühen 1920er Jahren kam es mit der Einführung des Wild T2 von Wild Heerbrugg zu einem sprunghaften Wandel im Design der Theodoliten . Heinrich Wild entwarf einen Theodoliten mit geteilten Glaskreisen, deren Messwerte von beiden Seiten an einem einzigen Okular in der Nähe des Teleskops präsentiert wurden, damit sich der Beobachter zum Ablesen nicht bewegen musste. Die Wild-Instrumente waren nicht nur kleiner, einfacher zu bedienen und genauer als ihre Konkurrenten, sondern auch regen- und staubdicht. Kanadische Vermesser berichteten, dass der Wild T2 mit 3,75-Zoll-Kreisen zwar nicht in der Lage war, die Genauigkeit für die primäre Triangulation zu liefern, aber die Genauigkeit eines traditionellen 12-Zoll-Designs erreichte. Die Instrumente Wild T2, T3 und A1 wurden viele Jahre lang hergestellt.
Im Jahr 1926 fand in Tavistock in Devon , Großbritannien, eine Konferenz statt , bei der wilde Theodoliten mit britischen verglichen wurden. Das Wild-Produkt übertraf die britischen Theodoliten, sodass Hersteller wie Cooke, Troughton & Simms und Hilger & Watts daran arbeiteten, die Genauigkeit ihrer Produkte zu verbessern, um mit ihrer Konkurrenz mitzuhalten. Cooke, Troughton und Simms entwickelten den Tavistock-Muster-Theodolit und später den Vickers V. 22.
Wild entwickelte für die Firma Kern Aarau die DK1, DKM1, DM2, DKM2 und DKM3 . Mit fortwährenden Verfeinerungen entwickelten sich die Instrumente stetig zu den modernen Theodoliten, die heute von Vermessungsingenieuren verwendet werden. Bis 1977 boten Wild, Kern und Hewlett-Packard alle "Totalstationen" an, die Winkelmessungen, elektronische Distanzmessung und Mikrochipfunktionen in einem einzigen Gerät vereinten.
Betrieb in der Vermessung
Die Triangulation , wie sie um 1533 von Gemma Frisius erfunden wurde , besteht darin, solche Richtungsplots der umgebenden Landschaft von zwei verschiedenen Standpunkten aus zu erstellen. Die beiden Graphikpapiere werden übereinander gelegt und liefern ein maßstabsgetreues Modell der Landschaft bzw. der darin enthaltenen Ziele. Der wahre Maßstab kann durch Messen einer Distanz sowohl im realen Gelände als auch in der grafischen Darstellung ermittelt werden.
Die moderne Triangulation, wie sie zB von Snellius praktiziert wird , ist das gleiche Verfahren, das mit numerischen Mitteln ausgeführt wird. Die photogrammetrische Blockanpassung von Stereopaaren von Luftbildern ist eine moderne, dreidimensionale Variante.
In den späten 1780er Jahren wurde Jesse Ramsden , ein Yorkshireman aus Halifax , England, der die Teilungsmaschine entwickelt hatte, um Winkelskalen auf eine Bogensekunde genau zu teilen (≈ 0,0048 mrad oder 4,8 µrad), mit dem Bau eines neuen Instruments für die Briten beauftragt Kampfmittel-Erhebung . Der Ramsden-Theodolit wurde in den nächsten Jahren verwendet, um den gesamten Süden Großbritanniens durch Triangulation zu kartieren .
Bei der Netzmessung beschleunigt der Einsatz der Zwangszentrierung den Betrieb bei höchster Präzision. Der Theodolit oder die Zielscheibe lassen sich mit Submillimeter-Präzision schnell aus der Zwangszentrierplatte entnehmen oder in diese einstecken. Heutzutage verwenden GPS- Antennen für die geodätische Positionierung ein ähnliches Befestigungssystem. Die Höhe des Bezugspunktes des Theodoliten – oder des Ziels – über dem Bodenrichtwert muss genau gemessen werden.
Transittheodolit
Der Begriff Transittheodolit oder kurz Transit bezieht sich auf eine Art von Theodolit, bei dem das Teleskop kurz genug ist, um sich in einem Vollkreis sowohl um seine horizontale als auch um seine vertikale Achse zu drehen. Es verfügt über einen vertikalen Kreis, der über die vollen 360 Grad abgestuft ist, und ein Teleskop, das "umgeklappt" werden kann ("transit the scope"). Durch Umkehren des Teleskops und gleichzeitiges Drehen des Instruments um 180 Grad um die vertikale Achse kann das Instrument im Modus 'Platte-links' oder 'Platte-rechts' verwendet werden ('Platte' bezieht sich auf den vertikalen Winkelmesserkreis). Durch Messen der gleichen horizontalen und vertikalen Winkel in diesen beiden Modi und anschließender Mittelung der Ergebnisse können Zentrier- und Kollimationsfehler im Instrument eliminiert werden. Einige Transitinstrumente sind in der Lage, Winkel bis zu dreißig Bogensekunden (≈ 0,15 mrad ) direkt abzulesen . Moderne Theodoliten haben normalerweise das Transit-Theodolit-Design, aber gravierte Platten wurden durch Glasplatten ersetzt, die mit Leuchtdioden und Computerschaltkreisen gelesen werden können , was die Genauigkeit bis zu Bogensekunden (≈ 0,005 mrad ) erheblich verbessert .
Verwendung mit Wetterballons
Es gibt eine lange Geschichte der Verwendung von Theodoliten bei der Messung von Winden in der Höhe, indem speziell hergestellte Theodoliten verwendet werden, um die horizontalen und vertikalen Winkel von speziellen Wetterballons, die als Deckenballons oder Pilotballons ( pibal ) bezeichnet werden, zu verfolgen . Erste Versuche dazu wurden in den Anfangsjahren des 19. Jahrhunderts unternommen, die Instrumente und Verfahren wurden jedoch erst hundert Jahre später vollständig entwickelt. Diese Methode wurde im Zweiten Weltkrieg und danach ausgiebig eingesetzt und ab den 1980er Jahren nach und nach durch Funk- und GPS-Messsysteme ersetzt.
Der Pibal-Theodolit verwendet ein Prisma, um den Strahlengang um 90 Grad zu biegen, sodass sich die Augenposition des Bedieners nicht ändert, wenn die Höhe um volle 180 Grad geändert wird. Der Theodolit wird normalerweise auf einem robusten Stahlständer montiert, der waagerecht und nach Norden ausgerichtet ist, wobei die Höhen- und Azimutskalen null Grad anzeigen. Vor dem Theodoliten wird ein Ballon freigesetzt, dessen Position in der Regel einmal pro Minute genau verfolgt wird. Die Ballons sind sorgfältig konstruiert und gefüllt, sodass ihre Aufstiegsgeschwindigkeit im Voraus ziemlich genau bekannt ist. Mathematische Berechnungen zu Zeit, Aufstiegsgeschwindigkeit, Azimut und Winkelhöhe können gute Schätzungen der Windgeschwindigkeit und -richtung in verschiedenen Höhen liefern.
Moderne elektronische Theodoliten
Bei modernen elektronischen Theodoliten erfolgt das Auslesen der horizontalen und vertikalen Kreise meist mit einem Drehgeber . Diese erzeugen Signale, die die Höhe und den Azimut des Teleskops anzeigen, die einem Mikroprozessor zugeführt werden. In der Brennebene des Teleskops wurden CCD- Sensoren hinzugefügt, die sowohl das automatische Zielen als auch die automatische Messung des verbleibenden Zielversatzes ermöglichen. All dies ist in eingebetteter Software des Prozessors implementiert.
Viele moderne Theodoliten sind mit integrierten elektro-optischen Entfernungsmessgeräten ausgestattet, die in der Regel auf Infrarotbasis basieren und die die Messung vollständiger dreidimensionaler Vektoren in einem Schritt ermöglichen – wenn auch in instrumentendefinierten Polarkoordinaten , die dann in eine bereits vorhandene Koordinate transformiert werden können im Gebiet durch eine ausreichende Anzahl von Kontrollpunkten. Diese Technik wird als Resektionslösung oder freie Stationspositionsvermessung bezeichnet und ist bei der Kartierungsvermessung weit verbreitet.
Solche Instrumente sind "intelligente" Theodoliten, die sich selbst registrierende Tachometer oder umgangssprachlich " Totalstationen " genannt werden, und führen alle erforderlichen Winkel- und Entfernungsberechnungen durch, und die Ergebnisse oder Rohdaten können auf externe Prozessoren heruntergeladen werden, wie zum Beispiel robuste Laptops , PDAs oder programmierbare Rechner
Gyrotheodolite
Ein Gyrotheodolit wird verwendet, wenn die Nord-Süd-Referenzpeilung des Meridians ohne astronomische Sternvisiere erforderlich ist. Dies kommt vor allem im Untertagebergbau und im Tunnelbau vor. Wenn beispielsweise ein Kanal unter einem Fluss verlaufen muss, kann ein vertikaler Schacht auf jeder Seite des Flusses durch einen horizontalen Tunnel verbunden sein. Ein Gyrotheodolit kann an der Oberfläche und dann wieder am Fuß der Schächte betrieben werden, um die Richtungen zu identifizieren, die zum Tunneln zwischen den Basis der beiden Schächte erforderlich sind. Im Gegensatz zu einem künstlichen Horizont oder einem Trägheitsnavigationssystem kann ein Gyrotheodolit während des Betriebs nicht verschoben werden. Es muss an jedem Standort neu gestartet werden.
Der Gyrotheodolit besteht aus einem normalen Theodolit mit einem Aufsatz, der einen Kreiselkompass enthält , ein Gerät, das die Rotation der Erde erfasst , um den wahren Norden und damit in Verbindung mit der Schwerkraftrichtung die Meridianebene zu finden. Der Meridian ist die Ebene, die sowohl die Achse der Erdrotation als auch den Beobachter enthält. Der Schnittpunkt der Meridianebene mit der Horizontalen definiert die so gefundene wahre Nord-Süd-Richtung. Im Gegensatz zu Magnetkompasse sind Kreiselkompasse der Lage zu finden , wahren Norden, die Oberflächen Richtung Nordpol.
Ein Gyrotheodolit wird am Äquator und sowohl auf der Nord- als auch auf der Südhalbkugel funktionieren. An den geographischen Polen ist der Meridian undefiniert. Ein Gyrotheodolit kann nicht an den Polen verwendet werden, an denen die Erdachse genau senkrecht zur horizontalen Achse des Spinners steht, tatsächlich wird er normalerweise nicht innerhalb von etwa 15 Grad des Pols verwendet, wo der Winkel zwischen der Erdrotation und der Richtung der Schwerkraft zu groß ist klein, damit es zuverlässig funktioniert. Wenn verfügbar, können astronomische Sternvisiere die Meridianpeilung mit einer mehr als hundertfachen Genauigkeit des Gyrotheodoliten angeben. Wo diese zusätzliche Präzision nicht erforderlich ist, kann der Gyrotheodolit schnell ein Ergebnis liefern, ohne dass Nachtbeobachtungen erforderlich sind.
Siehe auch
- Hersteller
Verweise
Externe Links
-
Medien zu Theodoliten bei Wikimedia Commons
