Tachimetr – co to jest i do czego służy?

Precyzyjny pomiar sytuacyjno-wysokościowy terenu przed posadowieniem budynku pozwala na wykonanie trwałego i estetycznego połączenia płaszczyzn gruntu i budynku, co w konsekwencji daje gwarancję bezpiecznego użytkowania tego obiektu na długie lata. Instrumentem wykorzystywanym do (szybkiego) pomiaru ukształtowania terenu (sytuacyjno-wysokościowego) wybranego obszaru poprzez wyznaczanie jego punktów i wysokości w skali lokalnej jest tachimetr.

Zobacz naszą nowoczesną Mapę Geoportal360

Czym zajmuje się tachimetria?

Słowo tachimetria pochodzi z języka greckiego i oznacza szybki pomiar. Zgodnie z Polską Normą PN-91/N-99252 tachimetria jest metodą biegunową pomiaru sytuacyjno-wysokościowego, w której określane są płaskie współrzędne biegunowe i różnice wysokości.

Tachimetrię stosuje się do sporządzania map sytuacyjno-wysokościowych dla celów projektowych, planowania przestrzennego, inwentaryzacji sieci uzbrojenia terenu i inwentaryzacji powykonawczej.

Co to jest tachimetr?

Tachimetr jest przyrządem geodezyjnym, przeznaczonym do pomiarów kątów poziomych, kątów pionowych oraz odległości, dzięki czemu możliwy jest jednoczesny pomiar sytuacyjny i wysokościowy punktów terenowych. Wykonywanie takich pomiarów jest możliwe dzięki połączeniu funkcji teodolitu (pomiar kątów) z funkcją dalmierza (pomiar odległości) w jednym urządzeniu geodezyjnym, jakim jest tachimetr.

Metoda pomiaru tachimetrycznego pojawiła się w połowie XIX wieku po wprowadzeniu do lunety teodolitu przez monachijskiego optyka Reichenbacha płytki ogniskowej z poziomymi nitkami dalmierczymi. W miarę postępu techniki w dziedzinie konstrukcji dalmierzy i pośredniego pomiaru odległości, wykorzystanie tachimetru uległo poszerzeniu o jednoczesny pomiar sytuacyjny i wysokościowy oraz kątów, a zwłaszcza odległości z precyzją pomiaru przekraczającą możliwości tachimetru kreskowego zwanego zwykłym.

W drugiej połowie XX wieku pojawiły się optyczne tachimetry dwuobrazowe, pozwalające na pomiar odległości z błędem względnym od 1: 1700 do 1: 5000, a więc z dokładnością odpowiadającą dokładności bezpośredniego pomiaru odległości taśmą.

Znacznie później na rynku pojawiły się bardziej dokładne od tachimetrów optycznych dwuobrazowych, tachimetry elektroniczne posiadające wewnętrzną pamięć umożliwiającą przechowywanie dużej ilości danych, jak i możliwość automatycznego przetwarzania tych danych w obrazy. Dzięki takiej funkcji instrument – tachimetr stanowi jeden z nielicznych urządzeń wykorzystywanych w planowaniu i realizacji obiektów budowlanych.

Niezależnie jednak od dokładności sprzętu tachimetrycznego zasada działania tachimetru jest zawsze taka sama, a mianowicie tachimetria jest pomiarem, w trakcie którego położenie sytuacyjne pikiet określane jest metodą biegunową, a ich wysokości wyznaczane są trygonometrycznie. Oznacza to, że pomiar punktów terenowych jest prowadzony w trzech wymiarach (X, Y, Z) z wykorzystaniem zależności geometrycznych pomiędzy nimi.

Otrzymany w wyniku tachimetrii – szybkiego pomiaru sytuacyjno-wysokościowego powierzchni terenu obraz, pokazuje ukształtowanie określonego terenu, a przy zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania, może pokazywać również obraz poprzeczny przekroju badanego terenu.

Obecnie tachimetry elektroniczne współpracują z technologią satelitarną GNSS. Pomiar rzeźby terenu przyrządem – tachimetrem przy współpracy z technologią satelitarną GNSS charakteryzuje się znaczną precyzją i rzeczywistym zobrazowaniem terenu. W wyniku pomiaru tachimetrem elektronicznym w połączeniu z GNSS powstaje chmura punktów, oddająca rzeźbę terenu z dokładnością do centymetra, a objętość czy przekroje powierzchni, są obliczane z błędem nie większym niż 3%.

Produkowane obecnie tachimetry posiadają w swej budowie wkomponowane komputery, które w oparciu o elektroniczny pomiar kątów: poziomego i pionowego oraz elektrooptyczny (lub laserowy) pomiar odległości, potrafią w czasie rzeczywistym rejestrować te pomiary, oraz wykonywać obliczenia wybranych przez operatora instrumentu wartości pomiarowych takich jak współrzędne, przewyższenia punktów, różnice wysokości, domiary do zaprojektowanych elementów takich jak, osie, łuki itd.

Pozyskana w ten sposób wiedza jest niezmiernie przydatna podczas planowania i budowy obiektów różnego przeznaczenia, których stabilność i przyszłe bezpieczeństwo jest zależne od rzetelnego przygotowania powierzchni.

Przeczytaj: Teodolit – co to jest i do czego służy?

Rodzaje tachimetrów

Wyróżnia się następujące rodzaje tachimetrów:

1. Tachimetry optyczne.
2. Tachimetry elektroniczne.
a) modularne,
b) zintegrowane.

Obecnie tachimetry optyczne niemal całkowicie wyszły z użycia, dlatego też w niniejszym artykule omówimy tylko budowę oraz sposób działania tachimetru elektronicznego.

Tachimetr elektroniczny stanowi połączenie teodolitu optycznego lub elektronicznego umożliwiającego wyznaczanie kątów poziomych i pionowych oraz dalmierza elektromagnetycznego wykonującego pomiar odległości na drodze elektronicznej.

Budowa tachimetru elektronicznego

Tachimetr zbudowany jest z wielu modułów tworzących jednolity system pomiarowy. Podstawowymi modułami tachimetru elektronicznego są:

• luneta podstawowa,
• źródło zasilania w postaci baterii lub za pomocą akumulatora zewnętrznego,
• urządzenia kątomiercze,
• kompensatory automatycznie korygujące odchylenia osi obrotu instrumentu od pionu,
• dalmierz elektrooptyczny,
• mikrokomputer,
• klawiatura numeryczna lub alfanumeryczna,
• wyświetlacz ciekłokrystaliczny,
• rejestrator,
• port szeregowy do połączenia instrumentu z komputerem zewnętrznym, pozwalającym na dwukierunkową transmisję danych.

Poszczególne moduły tachimetru są umieszczone w szczelnej obudowie i tworzą jednolity system pomiarowo-obliczeniowy.

Do niektórych tachimetrów elektronicznych producent dołącza dyskietki z programami służącymi do transmisji i zewnętrznego zarządzania danymi obserwacyjnymi za pomocą komputera podłączonego do przyrządu. Zawarte w dyskietkach programy umożliwiają również edycje istniejących i zapisanych w pamięci tachimetru plików, jak również pozwalają na tworzenie nowych kodów.

Charakterystyka poszczególnych modułów tachimetru elektronicznego

Tachimetr elektroniczny jest instrumentem geodezyjnym pozwalającym na dokonywanie pomiarów kątów pionowych, kątów poziomych oraz odległości na wybranym obszarze terenu.

Klasyczny tachimetr elektroniczny stanowi połączenie teodolitu elektronicznego (pomiar kątów) z fazowym dalmierzem elektrooptycznym pracującym na podczerwieni bliskiej światłu widzialnemu (pomiar odległości).

Tachimetr elektroniczny wyposażony jest w oprogramowanie pozwalające nie tylko na przechowywanie znacznej ilości danych, ale przede wszystkim umożliwiające dokonywania szybkich i rzetelnych obliczeń oraz transmisji w formie plików wejściowych do komputera poprzez kabel połączeniowy – port, umożliwiający dwukierunkową wymianę informacji między instrumentem a komputerem.

Stałymi elementami tachimetru są libelle alidadowe służące do poziomowania instrumentu oraz luneta, która jest ogniskowana za pomocą pokrętła ogniskowania.

Podstawowa luneta tachimetru jest zaopatrzona w okular, uchwyt i znaczek obrotu. Nieodłącznymi elementami tachimetru są też pion optyczny, czujniki temperatury i ciśnienia, śruby mocujące i stabilizujące, podstawa oraz wyświetlacz.

Niektóre z wymienionych elementów tachimetrów zostały zmodernizowane i tak np. pion optyczny może być zastąpiony pionem laserowym, a alidadowa libella podłużna (rurkowa) – libellą elektroniczną.

Wiarygodność pomiarów tachimetru jest zależna od panującej w danym dniu temperatury oraz ciśnienia atmosferycznego. Dzięki wmontowanemu czujnikowi temperatury oraz czujnikowi ciśnienia, tachimetry mogą same rejestrować zmieniające się warunki atmosferyczne i odpowiednio korygować powstające błędy w czasie rzeczywistym.

Zasilanie tachimetru może odbywać się za pomocą akumulatora bądź za pomocą niewielkiej baterii, której czas pracy obejmujący pomiar kątów i odległości wynosi około 8 godzin. Tak długi czas pracy baterii jest możliwy dzięki specyficznej budowie baterii, który umożliwia niski pobór energii.

Istotnym elementem tachimetru jest kolimator, którego funkcja polega na przetwarzaniu wpadającego światła w skupioną lub równoległą wiązkę. 

Rejestracja danych pomiarowych dokonywana jest w pamięci wewnętrznej tachimetru, w którą obecnie wyposażone są niemal wszystkie modele tachimetrów. W przypadku braku pamięci wewnętrznej, lub konieczności zwiększenia jej pojemności, możliwe jest zastosowanie rejestratora zewnętrznego połączonego z instrumentem za pośrednictwem portu za pomocą kabla. W nowszych modelach tachimetrów, istnieje możliwość rozszerzenia pamięci poprzez instalowanie wymiennych kart pamięci o pojemności 2-82 MB. Dodatkową zaletą kart pamięci jest możliwość ich przeniesienia do biura i wymiany danych bez konieczności przenoszenia całego instrumentu.

W dolnej części tachimetru znajduje się ekran – wyświetlacz ciekłokrystaliczny, który podzielony jest na pola przeznaczone na podawanie wyników pomiaru oraz klawisze, których opisy zmieniają się w zależności od trybu pomiaru.

W celu poznania dokładnej budowy tachimetru należy zawsze zapoznać się z instrukcją pracy i budowy tachimetru dołączoną przez producenta do instrumentu.

Obsługa tachimetru

Czynności wchodzące w zakres obsługi tachimetru można podzielić na następujące etapy:

1. Poziomowanie instrumentu.
2. Centrowanie przyrządu.
3. Zorientowanie stanowiska.
4. Wykonywanie pomiarów.
5. Rejestracja pomiarów.

1. Poziomowanie instrumentu

Poprawność pomiaru tachimetrem zależy od ustawienia oraz wypoziomowania instrumentu. Mając powyższe na uwadze, każdy geodeta przystępując do mapowania określonego obszaru powinien rozpocząć pracę od przygotowania instrumentu do pomiarów tj. od poziomowania i centrowania tachimetru.

W zakres poziomowania instrumentu wchodzi odpowiednie ustawienie statywu, tj. takie jego dopasowanie, aby głowica statywu była na wysokości piersi mierzącego.

Następną czynnością mierniczego jest ustawienie instrumentu na głowicy statywu i umocowanie go do statywu za pomocą śrub umieszczonych na spodarce.

Prawidłowe ustawienie instrumentu zależy od położenia pęcherzyka libelli pudełkowej. Aby mogło to nastąpić, mierniczy powinien tak operować wszystkimi trzema śrubami nastawczymi, aby pęcherzyk libelli osiągnął centralne położenie. Ustawienie pęcherzyka libelli w centralnym położeniu pozwala na dociśnięcie nóg statywu instrumentu do podłoża.

2. Centrowanie przyrządu

W zakres centrowania instrumentu wchodzi ustawienie ostrości. Ostrość ustawiana jest okularem pionu optycznego, który znajduje się po prawej stronie wyświetlacza.

Prawidłowe ustawienie ostrości jest wówczas, gdy znaczek centrujący w okularze pokrywa się z punktem. Po poluzowaniu śruby sercowej należy przesunąć instrument do takiego położenia, aby znaczek centrujący pokrył się z punktem. Z tą chwila należy dokręcić śrubę sercową.

Ostrość widzenia należy ustalić okularem pionu optycznego. Po wykonaniu czynności poziomowania instrumentu oraz jego centrowania, można uznać, że tachimetr jest gotowy do pracy.

3. Zorientowanie stanowiska

Wykonywanie pomiarów tachimetrem elektronicznym wymaga uprzedniego przygotowania tego instrumentu do pracy, tj. spoziomowania, scentrowania i zorientowania.

4. Wykonywanie pomiarów

Prawidłowe przygotowanie instrumentu do pracy pozwala na włączenie na instrumencie czynności pomiaru oraz jego rejestrację. Czynności te wykonywane są za pomocą przycisków na klawiaturze. Uzyskane informacje terenowe zapisane w pamięci wewnętrznej lub zewnętrznej tachimetru są przekazywane do komputera w celu określenia współrzędnych i wysokości pomierzonych punktów. Uzyskane dane mogą stanowić podstawę do sporządzenia mapy numerycznej.

Zasada działania dalmierza elektromagnetycznego polega na pośrednim wyznaczeniu przez dalmierz czasu t, w czasie, którym sygnał pomiarowy przenoszony za pomocą fali elektromagnetycznej przebywa mierzoną odległość D w kierunkach: tam i z powrotem.

Obecnie większość dalmierzy to dalmierze fazowe. Działanie tych instrumentów polega na wysyłaniu przez nadajnik zmodulowanej sinusoidalnie fali elektromagnetycznej, a pomiar czasu t odbywa się w sposób pośredni na zasadzie tzw. przesunięcia fazowego (opóźnienia fazowego), które stanowi różnicę faz fali emitowanej z nadajnika i fazy fali powracającej do odbiornika po jej odbiciu (retransmisji) przez reflektor zwrotny.

W dalmierzach elektrooptycznych (świetlnych) pomiar wykonywany jest przy zastosowaniu fal elektromagnetycznych z zakresu podczerwieni zbliżonej długością fali do światła widzialnego.

Pomiar dalmierzem elektrooptycznym polega na wysłaniu zmodulowanej fali świetlnej przez nadajnik umiejscowiony w początkowym punkcie A mierzonej odległości w kierunku jej punktu końcowego B, na którym umieszczony jest reflektor zwrotny, odbijający fale i kierujący ją w kierunku A, gdzie jest odbierany przez odbiornik O, umieszczony w tym samym instrumencie, co nadajnik.

Jednymi z najnowszych technologicznie tachimetrów są tachimetry bezlustrowe. Instrumenty te są wyposażone w dalmierz, który może dokonywać pomiaru odległości bez konieczności ustawiania pryzmatu w punkcie celu. Dzięki temu pracę tym instrumentem może wykonywać tylko jeden pracownik.

Tachimetr bezlustrowy jest w szczególności wykorzystywany do zdejmowania punktów znajdujących się w obszarze trudno dostępnym. Zasięg pomiaru bez lustra jest zależny od właściwości dalmierza oraz od struktury powierzchni, od której odbija się sygnał.

5. Rejestracja pomiarów

Rejestracja danych pomiarowych odbywa się w pamięci wewnętrznej instrumentu, a w razie braku w danym module pamięci wewnętrznej może być ona zapisana w rejestratorze zewnętrznym łączonym z instrumentem za pośrednictwem specjalnego portu.

Niektóre instrumenty dla rejestracji wyników pomiaru zaopatrzone są dodatkowo w kartę pamięci o pojemności 2-82 MB. Zaletą tych kart jest możliwość wymiany danych pomiędzy tachimetrem a komputerem bez konieczności przynoszenia do biura całego instrumentu.

W obecnie produkowanych tachimetrach elektronicznych proces obejmujący określenie mierzonej długości oraz kątów jest przeprowadzany automatycznie przez mikrokomputer umieszczony w instrumencie. Końcowy rezultat pomiaru ukazuje się na wyświetlaczu po wycelowaniu na reflektor i naciśnięciu odpowiedniego przycisku na klawiaturze.

Wynik pomiaru jest zależny od ustawionego wcześniej szablonu wyświetlania wyników w postaci zespołów odczytów określających: kąty pionowe i poziome, odległości skośne (rzeczywiste), zredukowane, przewyższenia lub współrzędne pikiety.

Główne kierunki udoskonalania tachimetrów elektronicznych

Niemała konkurencja na rynku sprzętu geodezyjnego sprawia, że instrumenty starszej generacji są wypierane przez te młodsze charakteryzujące się przede wszystkim znaczną dokładnością pomiarów kątów i odległości, zwiększoną pojemnością pamięci wewnętrznej czy rozszerzonym oprogramowaniem.

Obecnie do nowych modeli tachimetrów wprowadzane są m.in. takie innowacje jak:

• systematyczne zwiększanie pomiarów odległości,
• unowocześnianie ergonomii wyświetlacza i klawiatury,
• zapewnienie całkowitej szczelności instrumentu (wodoszczelność i pyłoszczelność),
• zastosowanie pionu laserowego w miejsce pionu optycznego,
• obracanie lunety i alidady za pomocą serwomotorów,
• automatyczne wyszukiwanie i naprowadzanie na cel oraz śledzenie poruszającego się celu,
• połączenie tachimetru z kamerą cyfrową lub skanerem umożliwiające wykonywanie i rejestrowanie zdjęć lub chmur punktów obiektu pomiaru z możliwością ich obróbki cyfrowej za pomocą odpowiedniego oprogramowania,
• uproszczenie rejestracji danych,
• wydłużenie czasu pracy instrumentu,
• wbudowanie w tachimetr termometru i barometru w celu automatycznego wprowadzania poprawki wyników obarczonych błędem powstałym z tyt. temperatury oraz ciśnienia,
• możliwość dokonywania przez użytkownika indywidualnych ustawień dotyczących obsługi instrumentu, programów oraz wyświetlania i transmisji danych.

Tachimetry skanujące

Obecnie w celu zdalnego pomiaru powierzchni terenu i kształtu obiektów inżynieryjnych stosuje się nowatorską technologię pomiaru opartą na skaningu laserowym.

Skaning laserowy to metoda pomiaru polegająca na wyznaczeniu położenia punktu metodą ze stanowiska o znanym położeniu w oparciu o odległość + kąt poziomy + kąt pionowy.

W metodzie skaningu laserowego do pomiarów wykorzystywane są oprócz skanerów laserowych także tachimetry skanujące.

Dzięki temu, że w tachimetr została wmontowana głowica skanująca, instrument ten może w bardzo krótkim czasie zarejestrować olbrzymią liczbę punktów będących punktami odbicia lasera od powierzchni terenu oraz obiektów zlokalizowanych na tej powierzchni takich jak: drzewa, obiekty budowlane, przewody napowietrzne itp.

Sygnał pomiarowy stanowi laserowa wiązka świetlna pracująca w zakresie bliskiej podczerwieni, wytwarzana przez głowicę skanującą, której ważnym elementem jest obracający się pryzmat zmieniający w sposób kontrolowany położenie wiązki.

Regulowana przez użytkownika gęstość skanowana danej powierzchni (rozdzielczość) odpowiada przyrostowi kątów pionowych i poziomych, o które obraca się głowica skanująca podczas pomiarów. W trakcie skaningu obserwuje się dużą liczbę punktów pomiarowych określanych, jako „chmura punktów” tworzących na powierzchni obiektu regularną siatkę, tworzącą „quasi-ciągły” przestrzenny model danego obiektu. Wydajność skanowania tachimetru skanującego wynosi ok. 20 punktów na sekundę, a w przypadku zastosowania skanera laserowego wydajność skanowania wynosi kilka tysięcy lub więcej punktów na sekundę.

Dla uzyskanie kompletnych danych charakteryzujących geometrię mierzonego obiektu niezbędne jest uzupełnienie wykonanego pomiaru metodami klasycznymi, które należy przeprowadzić tym samym instrumentem.

Niezbędnym wyposażeniem tachimetru skanującego jest oprogramowanie, które przetwarza informacje uzyskane podczas skanowania, dokonując:

• przetworzenia przestrzennych współrzędnych biegunowych na współrzędne prostokątne w obowiązującym układzie,
• rozpoznania obiektów,
• dopasowania sąsiednich skanów oraz obróbki graficznej (kolorowanie).

W wyniku skanowania laserowego mogą być tworzone modele przestrzenne (3D) skanowanych obiektów, w tym numeryczny model terenu, rzut budowli, przekroje podłużne i poprzeczne, warstwice ortofotomapy, wizualizacje, mapy sytuacyjno-wysokościowe, dokumenty monitoringu obiektów przemysłowych, przemieszczeń i odkształceń gruntu (np. osuwisk przez powtarzane skanowanie porównawcze).

Cennym uzupełnieniem skaningu laserowego są zdjęcia fotograficzne wykonane kamerami cyfrowymi.

Zastosowanie tachimetrów skanujących

Tachimetr skanujący, jako instrument naziemnego skanowania laserowego, znajduje zastosowanie m.in. w:

• inwentaryzacji architektoniczno-budowlanej różnego rodzaju budynków, elewacji, wnętrz, rzutów kondygnacji, obiektów technicznych i przemysłowych,
• kontroli wymiarowania oraz monitorowania obiektów inżynierskich takich jak mostów, wiaduktów innych elementów konstrukcyjnych,
• monitorowaniu postępu prac budowlanych i konserwatorskich,
• profilowaniu szlaków drogowych, kolejowych, cieków wodnych (kanałów),
• badaniu postępu eksploatacji w wyrobiskach górniczych i kopalniach odkrywkowych,
• inwentaryzacja stanowisk archeologicznych,
• rejestracji kolizji wypadków drogowych,
• inwentaryzacji drzewostanów (skaning mobilny-samolotowy).

Zalety technologii skanowania tachimetrem

Technologia skanowania tachimetrem charakteryzuje się:

• wysoką efektywnością i szczegółowością polegającą na rejestracji w bardzo krótkim czasie ogromnej liczby punktów o znanym położeniu i wysokości,
• brakiem konieczności dokładnego pracochłonnego celowania,
• milimetrową dokładnością pomiaru,
• niezależnością pomiarów od pogody i oświetlenia,
• automatycznym pozyskiwaniem danych eliminujących błędy operatora,
• znikomą liczbą osób zaangażowanych w wykonanie pomiaru,
• możliwością pomiaru obiektów niedostępnych,
• możliwością obserwacji zmian obiektu w czasie poprzez dokonywanie pomiarów i obserwacji powtarzalnych.

Tak, jak w każdej dziedzinie, również w produkcji tachimetrów elektronicznych panuje w świecie ogromna konkurencja. Potencjalnym użytkownikom poleca się coraz to nowsze modele tachimetrów z oprogramowaniem umożliwiającym wybór języka oprogramowania. Jeszcze do niedawna był nim tylko język angielski. Obecnie firmy takie jak Zeiss, Leica, Trimble oferują na rynek polski instrumenty z oprogramowaniem w języku polskim.

Przeczytaj również: Podstawowy sprzęt geodezyjny – przegląd

Źródło: Andrzej Jagielski, „Geodezja II”.

Zdjęcie: Pixabay.com