In der Geodäsie wird zwischen drei Bauformen von Nivellierinstrumenten unterschieden:
- Libellennivelliere
- Automatische Nivelliere
- Digitalnivelliere
Alle drei Bauformen verfügen über eine Dosenlibelle zur Grobhorizontierung. Beim Libellennivellier erfolgt die Feinhorizontierung des Gerätes/Zielstrahls mit einer Röhrenlibelle.
Automatische Nivelliere und Digitalnivelliere verfügen statt einer Röhrenlibelle über einen Kompensator. Der wichtigste Teil des Kompensators ist ein an Fäden aufgehängtes, sich an der Schwerkraft ausrichtendes Spiegelprisma. Der Spiegel hängt bei ruhendem Pendel in der Horizontalen (vgl. Kahmen, 2006, S. 407). Dieser lenkt den horizontalen Zielstrahl auf die Strichkreuzmitte. Zur gesamten technischen Umsetzung werden zudem mehrere Umlenkprismen benötigt.
Die folgende Abbildung zeigt einen Kompensator des automatischen Nivelliers Zeiss Ni2. Kompensatoren werden je nach Modell und Hersteller unterschiedlich verbaut. Verschiedene Bauweisen werden im Buch von Witte/Sparla abgebildet. Das Grundprinzip kann jedoch an diesem Beispiel, auch stellvertretend für andere Geräte, nachvollzogen werden.
In der Abbildung ist die Zielachse geneigt (schwarz dargestellt). Ohne einen Kompensator würde der horizontale Zielstrahl nicht auf die Strichkreuzmitte treffen (rot gepunktet dargstellt). Das an Fäden aufgehängte Spiegelprisma richtet sich an der Schwerkraft aus und lenkt den horizontalen Zielstrahl auf das Strichkreuz (rote Linie) (vgl. Witte/Sparla, 2015, S. 132).
Digitalnivelliere können zusätzlich die Latten automatisch ablesen. Dadurch gewinnt die Messung an Schnelligkeit. Außerdem kann ein direkter Datenfluss erfolgen, der grobe Fehler, wie Ablese- und Aufschreibfehler vermeidet.
Digitalnivelliere funktionieren mit einer codierten Latte und einem CCD-Array im Instrument. Hierzu gibt es folgende Verfahren:
- Korrelationsverfahren (Leica)
- Instrument „fotografiert“ angezielten Lattenausschnitt
- Bilder der Latte sind im Gerät gespeichert
- Vergleich/Korrelation
- Geometrisches Positionsverfahren (Zeiss/Trimble)
- 30cm-Ausschnitt der Latte wird fotografiert
- 2cm-Intervalle mit Bi-Phasencode
- Helligkeitswechsel im Code werden bestimmt
- Mittelbildung der 15 Intervallkanten
- Phasenmessverfahren (Topcon)
- 3 periodische Signale unterschiedlicher Periodendauer sind auf der Latte codiert
- Bestimmung der Phasenlänge der 3 Signale
- Periodendauer ist von Zielweite abhängig (vgl. Witte/Sparla, 2015, S. 133-135)
Spezifische Abweichungen der einzelnen Bauformen
Bei Libellennivellieren und automatischen Nivellieren können unterschiedliche systematische Abweichungen auftreten. Während es bei Libellennivellieren zu Abweichungen der Röhrenlibelle kommen kann, kann bei einem Kompensator Horizontschräge und Höhenversatz auftreten. Zudem können bei einem Kompensator vibrierende Maschinen im Einflussbereich den Ruhezustand des Spiegelprismas in der Horizontalen stören. In diesem speziellen Fall, wäre ein Libellennivellier bei Präzisionsmessungen zu bevorzugen (vgl. Witte/Sparla, 2015, S. 131).
