Разбивка трассы

О"С = (В / 2 + D + h0m)sin в / sin (в + v),

О"С1 = (В / 2 + D + h0m) sin в / sin (в - v).

По мере разработки грунта механизмами повторяют разбивку осевых точек А и А1 и указывают оставшуюся глубину выемки. Когда выемка в основном закончена и осталось добрать до проектной отметки 10-20 см, для чистовой отделки намечают точки, которые определяют положение кюветов, корыта и обочин (или сливной призмы), и при помощи нивелира эти точки устанавливают на уровень проектных отметок. Проектные отметки характерных точек поперечного профиля земляного полотна вычисляют от проектной отметки бровки по проектным уклонам и ширине отдельных частей дороги.

Проектные отметки земляного полотна выносятся в натуру с погрешностью не более 1 см.

2.3 Разбивка сопряжений уклонов продольного профиля

При строительстве железных и автомобильных дорог предусматривается вставка вертикальных кривых. Кривые в вертикальной плоскости разбивают для смягчения переломов продольного профиля дороги и достижения плавности и безопасности движения транспорта.



Сопряжение линий при переломе профиля производят вертикальными кривыми (рисунок 2.9). Вертикальные кривые - это выпуклые или вогнутые круговые кривые больших радиусов.

Вертикальные кривые разбивают по тем же элементам, что и горизонтальные круговые кривые, то есть по радиусу R кривой, по вертикальному углу поворота б, длине кривой К, тангенсу Т, биссектрисе Б и прямоугольным координатам x и y (для детальной разбивки).

Угол б, выраженный в радианах, принимают ввиду его малой величины равным разности абсолютных значений уклонов i1, i2, то есть

б = i1 - i2 = ?i.

Отсюда следует:

Т = R tg ?i2 = R (i1 - i2) / 2, К = 2Т, Б = Т2 / 2R

Детальную разбивку вертикальных кривых выполняют по способу прямоугольных координат, задаваясь значениями абсцисс x и вычисляя соответствующие ординаты y по приближенной формуле

y = x2 / 2R.

Абсциссу x определяют как расстояние по пикетажу от начала кривой до определяемой точки. Ординату y практически с допустимой погрешностью считают направленной вертикально и вводят как поправку в проектную отметку определяемой точки со знаком минус в случае выпуклой кривой и со знаком плюс - в случае вогнутой.

Для разбивки вертикальных кривых имеются специальные таблицы [3]

Пользуясь выбранными из таблиц величинами Т и Б, разбивают три главные точки кривой НК, СК и КК, а затем, пользуясь величинами x и y, разбивают кривую детально.

2.4 Геодезические работы при устройстве верхнего строения дороги

После возведения земляного полотна перед устройством автодорожного покрытия или верхнего строения пути еще раз производят разбивку поперечников.

Покрытие на автомобильных дорогах устраивается в приготовленном для этого земляном корыте и состоит из песчаной или гравийной подушки, бетонного или каменного несущего слоя и верхнего асфальтового слоя.

После того как песчаная подушка уложена в земляное корыто и уплотнена, при помощи теодолита производят разбивку оси дороги и кромки проезжей части, особое внимание уделяя тщательности разбивки криволинейных участков дороги. Одновременно с плановой разбивкой с помощью нивелира выносят проектные отметки верха покрытия или несущего слоя.

Поперечники разбивают на всех пикетах, переломах продольного профиля через 20 м на прямолинейных участках и через 10 м - на закруглениях.

Верхнее строение железных дорог состоит из балластной призмы, шпал, рельсов, стрелочных переводов. При разбивке элементов верхнего строения пути приходится неоднократно восстанавливать ось пути, поэтому желательно по обочине полотна или на междупутье разбить параллельную ось и закрепить ее.

При укладке или окончательной рихтовке железнодорожных путей ось каждого пути разбивается строго по теодолиту. На закруглениях полотна восстанавливают детальную разбивку кривых, размечая ось трассы через каждые 20 или 10 м, если радиус кривой менее 500 м. Наиболее целесообразно эту разбивку проводить способом хорд. Этот способ удобен в стесненных условиях насыпей и выемок и обеспечивает высокую точность разбивки. При помощи нивелира выносят в натуру проектные отметки головки рельсов с точностью до 1-2 мм.

Примыкания, как и любые соединения железнодорожных путей, осуществляются при помощи стрелочных переводов, которые, как правило, устраивают на прямых участках пути.

Пересечение осей двух соединяющихся путей называется центром стрелочного перевода (ЦСП) (рисунок 2.10). Угол б между рабочими гранями крестовины называется углом крестовины. Стрелочные переводы классифицируют по марке крестовины и обозначают дробью 1/N:

1/N = 2 tg б / 2 ? tg б.

Рисунок 2.10 - Схема стрелочного перевода

Расстояния a до центра стрелочного перевода и b до конца крестовины, а также другие размеры стандартны для каждого типа стрелочного перевода. Поэтому, если известно положение центра стрелочного перевода на оси пути, относительно его можно разбить все части перевода. Иными словами, для того чтобы выполнить разбивку стрелочного перевода на местности, необходимо зафиксировать положение его центра. При разбивке различают два основных случая:

- соединение параллельных путей (рисунок 2.11). В этом случае от ближайшего элемента пути находят положение ЦСП1 с точностью до 10 см, а затем по известной величине междупутного расстояния вычисляют и откладывают рулеткой расстояние x = l N до ЦСП2 с точностью до 1 см;

- примыкание непараллельных путей (рисунок 2.12).

Для разбивки примыкания прокладываемого пути СL к существующему AK находят точку B пересечения осей путей и измеряют угол примыкания в. Стрелочный перевод отклоняет путь на постоянный угол б, и для того чтобы соединить пути CL и BK, надо разместить центр стрелочного перевода не в вершине угла примыкания B, а в некоторой точке А.

Расстояние АB = x и BC = y найдем из решения треугольника ABC. Нам известны все три угла: б; 180 - в; в - б и сторона АС = b + q + T:

x = (b + q + T) sin (в - б) / sin в,

y = (b + q + T) sin б / sin в,

где угол б и величина b определяются по марке стрелочного перевода; угол в измеряется на местности; прямая вставка q задается; тангенс Т берут из таблиц для разбивки кривых по углу поворота в - б и принятому радиусу R.



Величину тангенса Т можно также вычислить по формуле

Т = R tg ((в - б) / 2).

Отложив по оси пути от точки примыкания В отрезок x, находим точку А - центр стрелочного перевода. Для определения на местности положения вершины угла поворота С откладываем вдоль примыкающей линии расстояние y. Эту же точку можно получить, если в центре стрелочного перевода отложить угол крестовины б и вдоль стороны АС полученного угла отложить расстояние b + q + T.

В том случае если место установки стрелочного перевода задано, разбивка примыкания производится в обратном порядке. Теодолит устанавливают в точку А и откладывают угол б. Таким образом находят точку пересечения С, в которой измеряют угол в - б и производят вставку переводной кривой.

2.5 Геодезические работы при строительстве мостов

Современные мостовые переходы представляют собой сложные инженерные сооружения. Для выполнения разбивочных работ и дальнейшего геодезического сопровождения строят специальную геодезическую разбивочную сеть, обеспечивающую выполнение работ на всех стадиях строительства мостового перехода. Кроме того, правильно расположенная и надежно закрепленная разбивочная основаможет использоваться и для наблюдения за деформациями моста в процессе его строительства и эксплуатации.

Разбивочную сеть создают в условной системе координат, в которой за ось абсцисс принимают ось мостового перехода. За условное начало координат принимают такую точку, закрепляющую ось, которая имеет меньшее пикетажное значение. Это делают исходя из условия положительности координат всех пунктов. Пункты разбивочной основы закрепляют в геологически устойчивых местах, не затопляемых паводковыми водами.

При построении разбивочных сетей довольно часто применяют триангуляцию. Форма ее может быть различна, но наиболее часто используют простой или сдвоенный геодезический четырехугольник (рисунок 2.13).

Оптимальной схемой разбивочной сети следует считать фигуру, ограниченную двумя прямоугольниками, включающую ось моста AB и создающую два базиса для разбивки опор засечками (b1 и b2). Длины сторон колеблются от 0,2 до 2,0 км. Угловые измерения производят со средней квадратической погрешностью 1"-2".



Для разбивки опор мостового перехода, прежде всего, выносят в натуру положение их центров. Сначала, пользуясь координатами пунктов опорной геодезической сети и центров опор, вычисляют углы в1, в2, …, г1, г2, … (рисунок 2.14) и по ним определяютположение центров опор способом засечек с двух пунктов триангуляции. Точность измерения базисов и точность теодолитов для построения углов в и г рассчитывают в соответствии с допускаемыми погрешностями в определении общей длины моста и расстояний между центрами опор.

Для разбивки на пунктах C и D устанавливают теодолиты. На определяемой точке размещают визирную марку с оптическим центриром. По указанию наблюдателей ее перемещают, добиваясь совмещения оси визирной марки с коллимационной плоскостью теодолитов, задающих разбивочный угол. Положение визирной марки, находящейся на пересечении визирных лучей двух теодолитов, проектируют с помощью оптического центрира на землю и закрепляют. Затем определяют положение точки при втором положении вертикального круга теодолита. Из двух положений точки находят среднее. Контролем правильности выполнения разбивочных работ является измерение расстояний между вынесенными центрами нескольких опор.

В процессе строительства центры опор приходится восстанавливать несколько раз: для возведения фундаментов, для установки опалубки при бетонировании опор, перед установкой пролетных строений. Поэтому для опор, расположенных в воде, направления засечек с пунктов разбивочной сети закрепляют на противоположном берегу специальными знаками (рисунок 2.15).

Для обеспечения контроля строительства в высотном положении на опорах закладывают рабочие репера. Их размещают как можно ближе к месту работы, в том числе и на строящихся опорах. Для этого по опорам, как только они поднимутся выше уровня воды, прокладывают нивелирные хода. Высоты временных реперов периодически контролируют от постоянных, расположенных на берегу.

При монтаже пролетных строений геодезические работы при их установке и сборке состоят из:

- из детальной разбивки продольной оси моста и периодической проверки соосности сборки главных ферм или балок с допускаемым отклонением от проекта 5 мм;

- высотной установки основных узлов в проектное положение со средней квадратической ошибкой определения высоты 2-3 мм;

- периодических контрольных наблюдений во время сборки и установки пролетного строения за плановыми деформациями временных опор.

По окончании строительства опоры производят исполнительную съемку. Она выполняется также и после монтажа, по результатам ее составляют план и профиль пролетного строения, продольный профиль пути.

За осадками опор и прогибами ферм под нагрузкой ведут геодезические наблюдения и по окончании строительства моста, в момент его испытаний и в период эксплуатации.



3. Геодезические работы при эксплуатации дорог

3.1 Виды геодезических работ при ремонтах пути

В соответствии с нормами содержания пути в определенные сроки выполняется тот или иной вид ремонта (капитальный, средний или текущий).

Перед капитальным ремонтом выполняют полную съемку плана и профиля пути, подлежащего ремонту. По этим данным составляют топографический план участка, продольный и поперечные профили пути и земляного полотна. На электрифицированных участках дополнительно измеряют высоту подвески проводов контактной сети.

Выполнению ремонта предшествуют геодезические разбивки и вынесение проектных отметок и осей пути на земляном полотне. После выполнения ремонта пути перед его сдачей в эксплуатацию производят исполнительные съемки плана и профиля пути для выявления отступлений от проекта и устранения их.

Для выполнения среднего ремонта пути производят съемку кривых и нивелирование существующего пути по головке рельса. По результатам съемки производят расчет и выправку кривых. Кривая при этом может не занимать проектного положения, но обеспечивает плавность движения поездов. Возвышение рельсов в кривых устанавливают путем нивелирования.

При текущем ремонте производят обмер кривых, нивелирование по головке рельса существующего пути для выявления мест просадок, пучин и других деформаций пути. Нивелируют и снимают кюветы, нагорные канавы для восстановления их проектного уклона и поперечного профиля. В местах, подвергшихся деформации, производят детальную плановую и высотную съемки, данные которых используют для составления проектов оздоровления земляного полотна.



3.2 Съемка и расчет существующих кривых

Правильное положение пути в плане обеспечивает плавность движения поездов и наименьшее воздействие подвижного состава на путь. В процессе эксплуатации кривые постепенно утрачивают свое правильное очертание, поэтому периодически выполняют съемку кривых с целью приведения их в проектное положение путем рихтовки. Чаще всего съемку существующих кривых выполняют способом стрел изгиба или способом Гоникберга.

Способ стрел изгиба. Этот способ получил повсеместное распространение на сети дорог как наиболее простой и менее трудоемкий. Его очень часто используют при текущем содержании пути. При этом способе кривую и примыкающие к ней прямые (на 30-40 м) по наружной нити разбивают на отрезки длиной 10 или 20 м, а на кривых менее 400 м - 5 м (рисунок 3.1). Разметку и нумерацию точек ведут по ходу километража. Точки отмечают на внутренней стороне шейки рельса. После чего от хорды между точками 0 и 2 измеряют стрелу изгиба f1 с точностью до 1 мм. Затем от хорды между точками 1 и 3 измеряют стрелу изгиба f2 и так далее до конца разбивки. Для контроля стрелы изгиба измеряют дважды. Расхождения величин стрел изгиба между первым и повторным измерениями не должны превышать 2-3 мм. Полученные данные используют для расчета выправки (рихтовки) кривой. Идеально поставленная кривая на всем своем протяжении в любой точке должна иметь одну и ту же стрелу изгиба f, мм:



f = 1000a2 / 8R,

где а - длина хорды, м;

R - радиус кривой, м.

При хорде а = 20 м

f = 1000 • 400 / 8R = 50000 / R.

Периодическая проверка состояния кривых способом стрел изгиба позволяет сравнивать измеренные величины стрелы с паспортными и в случае их расхождения производить приведение стрел к паспортным данным выправкой (рихтовкой) кривой.

Способ Гоникберга. Для того, чтобы снять положение кривой в плане, предварительно ее наружную нить разбивают на отрезки по 20 м. Разбивку пути на двадцатиметровые отрезки начинают на прямых участках на расстоянии 40 - 60 м от начала или конца кривой (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Съемка кривой способом Гоникберга

Через каждые 100 м над головкой рельса устанавливают теодолит и производят два вида измерений. Сначала определяют величину угла поворота между направлением 0 - 1 и 1 - 2 (угол б1). После этого, не сбивая визирования на точку 2, замеряют стрелы прогиба на каждой "двадцатке" - f1, f2, f3, и т. д. Стрелы прогиба измеряют по рейке, расположенной горизонтально, читая отсчеты по вертикальной нити сетки нитей теодолита.

Затем теодолит устанавливают в точке 2 и замеряют угол поворота б2 (между хордами 1 - 2 и 2 - 3). Затем на "двадцатках" по рейке, расположенной горизонтально, считывают по вертикальной сетке нитей отсчеты, то есть определяют следующие стрелы прогиба f1, f2, f3 и т. д. Работа в такой последовательности продолжается до тех пор, пока не будет замерен теодолитом на точке 4 угол поворота.

После этого необходимо выполнить контрольные измерения. При этом возможны два случая:

- если вся кривая доступна обозрению с конечных станций, то контроль осуществляется одной секущей (точка 1 - точка 4). Теодолит устанавливают на точку 1 и, визируя на точку 4, замеряют угол поворота в1. Затем переносят инструмент на точку 4 и измеряют угол поворота в2 (1 - 4 - 0);

- если нет видимости на конечную точку, то выбирают промежуточную видимую контрольную точку, контрольные углы измеряют при двух или нескольких секущих.

Контролем правильности замера углов поворота хорд является равенство трех величин: суммы углов поворота хорд и суммы углов поворота секущих и обеих этих сумм полному углу поворота кривой.

Этот способ является довольно точным, но применение его затруднительно, а иногда невозможно на участках с интенсивным движением поездов.

3.3 Разбивка стрелочных переводов на кривых

В пределах станции, а в некоторых случаях даже на перегонах приходится укладывать стрелочные переводы на криволинейных участках пути. Чтобы не использовать стрелочные переводы, специально проектируемые для укладки на кривых, производят спрямление криволинейного участка и на нем укладывают стрелочный перевод.

Одиночные обыкновенные стрелочные переводы на кривых на спрямленных участках укладываются по одному из следующих способов.

Спрямление по способу хорды. При этом способе спрямленный участок лежит внутри основной кривой (рисунок 3.3).

В том случае если известны R - радиус основного пути, L - прямолинейный участок пути, на котором укладывают стрелочный перевод, и r - радиус сопрягающих кривых, угол ц определяют по формуле

ц = arcsin L / 2(R - r).

Величина необходимой сдвижки

f = (R - r) (1 - cosц).

В том случае если величина сдвижки задана, радиус сопрягающих кривых найдем по формуле

r = R - f / 2 - L2 / 8f.

Координаты точек М и С относительно точки А

y1 = r (1 - cosц); x1 = r sinц;

y2 = R (1 - cosц); x2 = R sinц.



Рисунок 3.3 - Спрямление по способу хорды

Спрямление по способу касательной. В этом случае переустраиваемый участок располагается вне основной кривой (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Спрямление по способу касательной

Если известны R, r и L, определяем

ц = 2 arctg L / 2(R - r),

f1 = f2 = L / 2sinц / 2 + r - R.

А координаты точек К, С и А относительно точки D:

x = L/2 + r tgц / 2;

x1 = L/2 + r sinц;

x2 = R sinц;

y1 = r (1 - cosц);

y2 = R (1 - cosц).



3.4 Наблюдения за деформациями инженерных сооружений

В процессе строительства и после возведения инженерных сооружений возникает необходимость в наблюдении за их стабильностью как в плане, так и по высоте.

Изменения в пространственном положении сооружения называются деформациями. Всякое пространственное смещение сооружения может быть разделено на две составляющие: в плане и по высоте. Смещение сооружения в горизонтальной плоскости называют сдвигом, а в вертикальной - осадкой.

Числовые характеристики деформаций сооружения можно получить в результате геодезических измерений и наблюдений, которые ведутся по мере возведения сооружений, а также и после начала эксплуатации. Цель геодезических наблюдений за деформациями - получить данные, характеризующие величины осадок и смещений. Это необходимо для того, чтобы на основании полученных результатов своевременно разработать и принять меры по предотвращению возможных последствий.

Наблюдения за деформациями сооружений предусматривают следующие основные этапы:

- определение необходимой точности и периодичности измерений;

- создание опорной геодезической сети;

- выбор методики проведения необходимых измерений.

Наиболее существенной частью этих работ является выбор места размещения и закрепления опорных пунктов наблюдения. Они должны располагаться вне зоны возможных смещений. От правильного выбора точности и периодичности наблюдений зависят способы и средства измерений, а также достоверность полученных результатов.

Точность и периодичность проведения измерений указываются в нормативных документах. В особых случаях эти данные могут быть получены с помощью специальных расчетов.

В нормативных документах требования к точности определения осадок или горизонтальных смещений характеризуются средней квадратической погрешностью. Она составляет:

1-2 мм - для зданий, длительное время находящихся в эксплуатации, а также возводимых на скальных грунтах;

2-5 мм - для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;

5-10 мм - для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных, заторфованных и других сильно сжимаемых грунтах;

10-15 мм - для земляных сооружений.

На оползневых участках осадки измеряются со средней квадратической погрешностью 30 мм, а горизонтальные смещения - 10 мм.

Методы и средства измерения вертикальных перемещений принимаются в зависимости от требуемой точности результатов. Измерения осадки с допустимой погрешностью от 1 до 2 мм и более высокой производятся методами геометрического и гидростатического нивелирования, с допустимой погрешностью 5 мм и более - геометрическим и тригонометрическим нивелированием, фотограмметрическими методами.

Самым распространенным способом наблюдения за осадками земляного полотна дороги является периодическое нивелирование осадочных марок

На исследуемом участке земляного полотна размещают осадочные марки М1, М2, М3 и т. д. Высотной основой, относительно которой определяются осадки, служат репера, расположенные, как отмечалось выше, вне зоны возможных смещений.

Нивелирование осадочных марок производят через равные промежутки времени (циклы) каждый раз по одной и той же схеме. По результатам нивелирования в первом цикле определяют высоты осадочных марок. Сами осадки исследуемого участка земляного полотна определяют как разность высот одноименных марок в первом и последующих циклах наблюдений.

Для наглядного представления о ходе осадок составляют продольный профиль по результатам нивелирования в первом цикле наблюдений, относительно которого показывают величины осадок марок в последующих циклах.

Кроме осадок, земляное полотно дороги может подвергаться оползневым явлениям. Наблюдения за оползнями выполняются различными геодезическими методами. Эти методы, в зависимости от вида и активности оползня, направления и скорости его перемещения, подразделяют на три группы:

осевые (одномерные) - смещение расположенных на оползне марок определяют по отношению к заданной линии или оси;

плановые (двумерные) - смещения оползневых марок наблюдают по двум координатам в горизонтальной плоскости;

пространственные (трехмерные) - определяют полное смещение марок в пространстве по трем координатам.

Осевые методы применяют, когда направление движения оползня известно. К ним относятся:

- метод расстояний (рисунок 3.6, а), который заключается в измерениях расстояний по прямой линии между марками, установленными вдоль движения оползня;

- метод створов (рисунок 3.6, б), при котором определяется смещение в направлении, перпендикулярном движению оползня;

- лучевой метод (рисунок 3.6, в), заключающийся в определении смещения оползневой марки по изменению направления визирного луча с исходного знака на оползневой.



Рисунок 3.6 - Схемы наблюдений за оползнями:

a - метод расстояний; б - метод створов; в - лучевой метод

К плановым относятся методы прямой, обратной, линейной засечки, полигонометрии и комбинированный метод, сочетающий измерение направлений, углов, расстояний и отклонение от створов.

Смещения оползневых марок определяют по отношению к опорным знакам, расположенным вне зоны оползневого участка. Периодичность наблюдения корректируется в зависимости от скорости движения оползня. Она увеличивается в период активизации и уменьшается в период угасания.



4. Геоинформационные системы и современные методы топографических съемок автомобильных и железных дорог

4.1 Геоинформационные системы

Геоинформационная система (ГИС) - автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит геоинформация.

ГИС транспорта - информационно-управляющая автоматизированная система, призванная обеспечивать решение задач инвентаризации, проектирования и управления объектов железнодорожного и автомобильного транспорта.

ГИС можно представить в виде трехуровневой структуры, включающей системный уровень:

- сбора и первичной обработки информации;

- моделирования, хранения и обновления информации;

- представления.

Отличия ГИС от других автоматизированных систем:

- на уровне сбора информации ГИС включают в себя отсутствующие в автоматизированных системах управления (АСУ) методы сбора пространственно-временных данных, технологии использования спутниковых навигационных систем, технологии реального масштаба времени и др.;

- на уровне хранения и моделирования ГИС включают в себя технологии пространственного анализа, применение цифровых моделей и видеобаз данных, а также комплексный подход к принятию решений;

- на уровне представления ГИС дополняют технологии АСУ применением интеллектуальной графики, что делает их более доступными и понятными для работников управления и органов власти.

В технологиях ГИС используются три типа экспертных систем (ЭС):

- на уровне сбора информации - система автоматизированного распознавания образов при обработке фотоснимков или сканировании картографических изображений;

- на уровне моделирования - ЭС автоматизированного редактирования картографических данных. Для управления и принятия решений применяются ЭС анализа атрибутивных данных, данных о запросах пользователей и др.;

- на уровне представления данных - ЭС генерализации картографических изображений.

В качестве базовых моделей данных в ГИС, как и в других автоматизированных системах, применяют инфологические (объектные), иерархические, реляционные и сетевые модели. Особенностью ГИС является наличие большого объема пространственно-временной и графической информации. Местоположение объектов ГИС определяется классом координатных (позиционных) данных. Для определения параметров времени и организации описательной информации используется класс атрибутивных данных.

Источниками данных в ГИС являются:

- существующие топографо-геодезические и картографические материалы;

- материалы дистанционного зондирования;

- данные наземных измерений;

- атрибутивные данные из предметной области.

Класс координатных данных отражает метрическую информацию ГИС, представленную совокупностью геометрических элементов: точек, линий, контуров и площадей. Основной формой представления координатных данных являются цифровые модели. Для визуализации координатных данных используются графические модели.

Класс атрибутивных данных представляет собой совокупность временных и описательных данных объектов ГИС. Атрибутивные данные чаще всего представляют в табличной форме.

Качество данных в ГИС определяется следующими характеристиками:

- позиционной точностью;

- точностью атрибутов;

- логической непротиворечивостью;

- полнотой;

- происхождением.

Основу графической среды и визуализации данных в ГИС составляют векторные и растровые модели. Особенностью организации графических данных в ГИС является поддержка оверлейных структур. Их отличие от систем CAD состоит в том, что слои в ГИС могут быть как векторными, так и растровыми. Векторные слои в ГИС являются объектными, т. е. они несут информацию об объекте, а не об отдельных элементах объекта, как в САПР.

Векторные модели могут быть топологическими (если они поддерживают топологию графики) или нетопологическими.

ГИС могут одновременно поддерживать как растровую, так и векторную формы представления графики. Такие ГИС называют гибридными.

Современные ГИС позволяют выполнять пространственное моделирование объектов и явлений.

При моделировании в ГИС выделяют следующие виды операций с данными:

- операции преобразования форматов и представлений данных;

- проекционные преобразования;

- геометрический анализ данных;

- оверлейные операции;

- функционально-моделирующие операции.

Операции преобразования форматов и представлений присутствуют в каждой ГИС и необходимы как средства обмена данными с другими автоматизированными системами.

Тип формата определяется используемым программным обеспечением и технологиями сбора данных. Преобразование форматов осуществляется с помощью программ-конверторов.

Графические данные могут иметь растровое или векторное представление и существенно различаться. Векторное представление имеет бульшие аналитические возможности, чем растровое. Операцияпреобразования растрового изображения в векторное (векторизация) является одной из основных при обработке графических данных в ГИС. В состав любой ГИС входит специальная программа векторизации - графический редактор. Существуют и специальные программы-векторизаторы.

Для определения положения объектов в пространстве существует множество систем координат. Для изображения поверхности земли на плоскости применяют различные математические модели -картографические проекции. Группа математических процедур ГИС, осуществляющих переход от одной системы координат к другой, от пространственной системы координат к картографической проекции илипереход от одной картографической проекции к другой, носит название проекционных преобразований.

Особенностью цифровых карт в ГИС является возможность их организации в виде множества слоев (покрытий или карт-подложек). Сущность оверлейных операций состоит в наложении разноименных слоев с образованием производных объектов и наследованием атрибутов.

Программные средства ГИС позволяют выполнять ряд операций геометрического анализа. Для векторных моделей такими операциями являются определение расстояний, длин кривых, площадей фигур; трансформирование точек объекта и др.

В ГИС используются различные аналитические операции: расчет и построение буферных зон, анализ сетей, генерализация, цифровое моделирование и др. Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании - цифрового моделирования. Основными элементами цифрового моделирования являются: цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель местности (ЦММ), цифровая модель объекта (ЦМО).

Цифровые модели широко используются в ГИС, САПР и АСУ.

ЦФС - это автоматизированные компьютерные системы обработки данных дистанционного зондирования, служащие для получения координатных данных, цифровых карт, ЦММ, ЦМР и ЦМО.

Развитие методов цифрового картографирования привело к появлению электронных карт. Они осуществляют динамическую визуализацию цифровых карт с помощью видеомониторов и соответствующего программного интерфейса. Электронные карты могут создаваться и как электронные атласы, и как навигационные системы. Их широко применяют для определения местоположения движущихся транспортных средств (режим реального времени). По существу электронные карты можно отнести к классу специализированных ГИС.

Работа с информацией в ГИС осуществляется комплексом программ под управлением той или иной операционной системы. Обычно ГИС состоит из двух основных частей: графического редактора и системы управления базами данных (СУБД). В любой ГИС осуществляются:

- ввод и вывод информации;

- управление графическими и тематическими базами данных, обеспечивающее связь между этими базами для правильной и синхронной работы с объектами. Под управлением понимается создание базопределенной структуры и заполнение их, поиск информации в базах, сортировка, редактирование и пополнение информации, выдача информации по запросам и ряд других операций;

- визуализация информации, т. е. наглядное представление (отображение) на экране монитора информации, хранящейся в цифровой форме в графических и тематических базах; при этом информация может быть выдана на экран, как в виде картографического изображения, так и в виде таблиц, графиков, диаграмм и т. п., отображающих результаты выполненного анализа информации;

- работа с картографическим изображением: перемещение его в произвольном направлении; масштабирование; настройка элементов оформления изображения (цвет, тип линий и т. п.); управление окнами на экране; редактирование изображения и т. д.;

- совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов. Основной целью создания ГИС железнодорожного и автомобильного транспорта является обеспечение всех сфер его деятельности комплексной пространственно-координированной информацией. Мощные инструментальные оболочки ГИС позволяют интегрировать в себя любые базы данных и существующие автоматизированные системы инвентаризации, проектирования и управления. В свою очередь,информация, полученная в результате работы ГИС, с успехом используется в автоматизированных системах инвентаризации (паспортизации), САПР и АСУ.

4.2 Современные методы топографических съемок автомобильных и железных дорог

Использование современных методов топографических съемок значительно повышает производительность труда, упрощает и сокращает время на обработку результатов измерений, исключает такие ошибки исполнителя, которые имеют место при визуальном взятии отсчетов, записи результатов измерений в журналы, в вычислениях.

К таким методам можно отнести съемки с помощью:

- спутниковых радионавигационных систем (СРНС);

- лазерных сканеров;

- комплексных систем;

- электронных тахеометров;

- объединенных систем.

4.2.1 Спутниковые радионавигационные системы

В настоящее время в геодезии, где требуется знание положения объектов в пространстве, широко применяются спутниковые радионавигационные системы (СРНС). К ним относятся глобальная система NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System - США) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система - Россия). Странами Европы ведутся разработки по созданию еще одной подобной системы Galileo. Спутниковая система NAVSTAR GPS (или кратко - GPS) сейчас является наиболее распространенной и широко используемой. Система состоит из трех секторов: это космический сектор, наземный сектор управления и сектор пользователей.

Космический сектор включает 24 искусственных спутника Земли (ИСЗ), обращающихся вокруг Земли по шести орбитам, близким к круговым, на высоте около 20 183 км, чему соответствует период обращения, равный половине звездных суток (11 ч 57 мин 58,3 с). Наклонение орбит -55°. При этом в любом месте Земли, если нет заслоняющих препятствий, обеспечена одновременная видимость на высоте более 15° от 4 до 11 спутников.

На каждом спутнике установлены: водородный стандарт частоты и времени, генерирующий опорную частоту 10,23 МГц с суточной нестабильностью 10-14-10-15 и формирующий несущие частоты радиоизлучения L1 и L2, радиопередатчик (для посылки сигналов потребителям) и приемник (для приема информации от наземного сектора управления). Кроме того, имеются бортовой вычислительный процессор, солнечные батареи, аккумуляторы, системы ориентации и коррекции орбиты.

Наземный сектор управления выполняет определение параметров орбит и ошибок часов спутников, закладку навигационной информации на спутники и контроль функционирования технических средств системы. В состав сектора входят главная контрольная станция, станции слежения, управляющие станции. Сектор пользователей представляет собой множество технических средств, находящихся на поверхности Земли, в воздухе или околоземном космическом пространстве и выполняющих прием информации со спутников для измерения параметров, которые связывают положение аппаратуры пользователя с расположением спутников. В результате обработки измеренных параметров получают координаты приемника пользователя, а при необходимости, и скорость его движения.

Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС разработана в 70-е годы на основе опыта эксплуатации предшествующей допплеровской СРНС "Цикада". Первые спутники системы ГЛОНАСС ("Космос-1413", "Космос-1414" и "Космос-1415") были запущены в 1982 г. Далее сеть спутников наращивалась с темпом 1 - 2 запуска в год. В 1988-1991 гг. началась эксплуатация системы. С 1995 г. онаиспользуется для гражданского применения. Параметры системы ГЛОНАСС приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Параметры СРНС

Тип системы	ГЛОНАСС	GPS
Число ИСЗ в системе	24	24
Число орбит	3 (через 120°)	6 (через 60°)
Число ИСЗ на орбите	8 (через 45°)	4 (через 90°)
Тип орбиты	Круговая	Круговая
Высота орбиты	19 100 км	20 145 км
Наклонение орбиты	64,8°	55°
Период обращения	11 ч 15 мин 44 с	11 ч 57 мин 58,3 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84



В системе ГЛОНАСС излучаемые спутниками частоты также модулированы дальномерными кодами и навигационным сообщением. Но в отличие от GPS коды всех спутников одинаковы, а разделение сигналов различных спутников - частотное.

Для производства измерений датчик устанавливают на штативе или на полутораметровой штанге (рисунок 4.1), применяемой для выполнения кратковременных измерений. Управление приемником выполняется с помощью клавиатуры и дисплея контроллера (рисунок 4.2).

Результаты измерений регистрируются на жестких картах памяти и обрабатываются на персональных компьютерах с помощью специального программного обеспечения.

4.2.2 Съемка с помощью лазерных сканеров

В последнее время широкое распространение получил ещё один из методов наземных топографических съёмок - лазерное сканирование. Основным принципом лазерного сканирования является получение объемного изображения объекта съемки (облако точек с трехмерными координатами) с помощью специальных устройств - сканеров (рисунок 4.3).

После сканирования полученное в результате облако точек обрабатывается так же, как и аналогичная съемка в поле. Только все действие происходит на экране компьютера: оператор устанавливает точку с помощью мыши и присваивает этой точке семантику. Можно работать и в AutoCADe с применением дополнительного ПО, которое сразу же делит все измерения на соответствующие слои и т. д.

С помощью интеграции точного двухосевого компенсатора наклона в наиболее популярную модель лазерного сканера был создан Leica ScanStation (см. рисунок 4.3) новый класс лазерных сканеров и новый уровень в развитии топографических съемок. Это первый инструмент, в котором объединены четыре фундаментальные функции тахеометра в одном сканере:

- полное поле зрения;

- точный двухосевой компенсатор наклона;

- точное измерение каждого импульса;

- большой диапазон измеряемых расстояний.

ScanStation имеет полное поле зрения, такое же, как и в тахеометре. Оператор может снимать любой объект, находящийся в зоне видимости сканера, без необходимости наклонять инструмент.

В сканере ScanStation установлен двухосевой компенсатор с разрешением 1?, такой же, как и в тахеометрах Leica. Сканер можно устанавливать на точке с известными координатами, прокладывать тахеометрический ход, определять координаты стояния с помощью обратной геодезической задачи. Эти функции значительно снижают время и стоимость полевых и офисных работ, а также делают сканер более универсальным при полевых работах.

Leica ScanStation выполняет каждое измерение с высокой точностью, с такой же, как и тахеометр. Сканер обладает очень малым шагом сканирования и малым лазерным пятном даже на большом расстоянии. Это позволяет достигать оптимального контроля при уравнивании данных в проекте.

Съемка дорог имеет большую сложность при проведении самих работ, так как экономически не выгодно останавливать все движение. Здесь просто невозможно обойтись без применения лазерного сканера. Даже если по снимаемому участку дороги безостановочно едут автомобили и в результате будет множество измерений, отраженных от автомобилей, то при обработке в программе Cyclone (Циклон) можно просто выбрать одну точку, принадлежащую дорожному покрытию и включить функцию построения сглаженной поверхности. Далее программа выберет автоматически все точки, которые лежат на плоскости в пределах, заданных параметрами построения этой поверхности: максимальное отстояние от среднего уровня, угол возвышения, наибольшее расстояние между двумя соседними точками и наибольший диапазон поверхности. Такая функция позволяет без вмешательства человека отобрать только те точки, которые принадлежат дороге, и построить по ним трехмерную поверхность. Также в программе Cyclone есть новая функция автоматического профилирования отснятых дорог: по нескольким параметрам автоматически строится средняя линия дорожного полотна и также автоматически строятся профили через заданное расстояние, включая все необходимые отчеты.

4.2.3 Съемка с помощью комплексных систем

Для обеспечения в области съемки железных дорог были разработаны специальные комплексные системы. Данные технологии являются совместными разработками швейцарских фирм Leica Geosystems и Amberg Meastechnik. В них заложено использование высокотехнологичного измерительного оборудования и мощного пакета программного обеспечения.

Система LEICA TMS (рисунок 4.4) используется для геодезического обеспечения и контроля процессов эксплуатации железнодорожного пути. Система состоится из двух главных компонентов: электронных тахеометров LEICA TPS1100plus, программного обеспечения LEICA TMS Office, LEICA TMS SETOUT, LEICA TMS PROFILE.



Рисунок 4.4 - Система LEICA TMS

Автоматическое измерение профилей и определение геометрии пути осуществляется на базе технологии измерения (рисунок 4.5). Использование радиомодема и функции автоматического наведения на цели дает возможность дистанционного управления работой прибора с любой точки. Загрузка проектных данных и запись данных измерений может выполняться с помощью полевого компьютера или карты памяти PCMCIA.

Программный модуль LEICA TMS OFFICE обеспечивает хранение всех проектных и измерительных данных, а также их обработку по методике, единой для всех областей применения данной системы измерения. Программный модуль LEICA TMS PROFILE предназначен для автоматического измерения профилей с целью контроля процесса выработки пород, неразрушающего контроля толщины бетонныхстен в туннелях, контроля просвета туннеля, получения достоверных данных о состоянии туннеля для проведения ремонтных работ и др.

Преимущества использования таких систем, очевидно:

- повышение безопасности путем обеспечения высокой точности местоположения и геометрии рельсов, а также своевременного обнаружения возможных источников аварийных ситуаций;

- повышение скорости и увеличение частоты прохождения поездов;

- уменьшение затрат по реконструкции;

- уменьшение времени простоя и остановки железнодорожного движения;

- гибкость и многофункциональность применения системы.



4.2.4 Съемка с помощью электронных тахеометров

Электронным тахеометром называется прибор, объединяющий в себе светодальномер, электронный теодолит и микроЭВМ (рисунок 4.6). Ведущие производители электронных тахеометрических систем: Spectra Precision (Швеция/Германия), Leica (Швейцария), Sokkia, Topcon, Nikon, Pentax (Япония),Trimble (США), УОМЗ (Россия).

Светодальномер прибора измеряет расстояние до отражателя, устанавливаемого на штативе или укрепленного для оперативности в работе на переносимой с точки на точку вешке. МикроЭВМ обеспечивает возможность решения целого ряда стандартных геодезических задач, для чего электронный тахеометр снабжен набором необходимых прикладных программ. Полученная в ходе измерений информация высвечивается на цифровом табло, а также регистрируется во внутренней памяти прибора и на флэш-картах для последующего ввода в компьютер с целью дальнейшей обработки.

Электронный тахеометр имеет панель управления. На панели управления расположены клавиатура, служащая для управления процессом измерений и ввода информации вручную, и дисплей. Ввод информации и управление возможны и с дистанционного пульта управления (контроллера).

Тахеометр может иметь световой указатель створа, облегчающий установку вехи с отражателем на линию, по которой направлена труба прибора. Если отражатель находится справа от визирной оси, то указатель светит красным цветом, если слева - зеленым.

Программное обеспечение электронных тахеометров поддерживает решение достаточно широкого круга задач. Обычно бывает предусмотрен ввод и сохранение данных о станции: ее координат, номера точки, высоты прибора, имени оператора, даты, времени, сведений о погоде (ветре, температуре, давлении).

По результатам измерений выполняется вычисление горизонтальных и вертикальных углов, дирекционных углов линий, горизонтальных проложений, превышений, высот точек, где установлены отражатели, приращений координат, плоских и пространственных координат наблюдаемых точек. Предусмотрена возможность вычисления координат по результатам засечек, вычисления расстояния до недоступной для установки отражателя точки и координат недоступной точки, определения высоты недоступного объекта. Для обеспечения разбивочных работ служат программы вычисления угла и расстояния для выноса точки с заданными координатами. При решении задач учитывается рефракция световых лучей в атмосфере.

Использование электронных тахеометров значительно повышает производительность труда, упрощает и сокращает время на обработку результатов измерений, исключает такие ошибки исполнителя, которые имеют место при визуальном взятии отсчетов, записи результатов измерений в журналы, в вычислениях. При работе с электронным тахеометром отпадает необходимость иметь калькулятор для выполнения полевых вычислений. Поэтому электронные тахеометры нашли самое широкое применение при съемке железнодорожных путей и автомобильных дорог.

4.2.5 Съемка с помощью комбинированных систем

Впервые в мире тахеометр и спутниковый приемник объединены в одну систему SmartStation. Высокопроизводительный тахеометр с мощным GNSS приемником показан на рисунке 4.7.

Преимуществом данной системы является то, что при съемке нет необходимости в наличии опорного обоснования, прокладке длинных ходов и выполнении обратных засечек. SmartStation устанавливается там, где удобно, GNSS приемник определит местоположение, и можно начинать съемку производительным, быстрым и эффективным тахеометром. Полная совместимость с GPS предоставляет новые возможности при выполнении съемок: съемка легче, быстрее и с меньшим количеством перестановок.



Рисунок 4.7 - Система SmartStation

Одной из последних разработок в области систем подобного типа - это система SmartPole (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 - Система SmartPole

SmartPole - мощная система управления данными, множество функций и возможностей для точных и быстрых измерений, простая и надежная в использовании. SmartPole является самой революционной геодезической системой.

Размещено на Allbest.ru

...