Цифровые методы топографических съёмок и их применение в учебном процессе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Баученков Сергей Андреевич

Цифровые методы топографических съёмок и их применение в учебном процессе

Магистерская диссертация

Санкт-Петербург

2016



Содержание:

топографический съёмка тахеометр кодирование

Введение

Глава 1. Обзор современного состояния отрасли крупномасштабной топографической съёмки

Глава 2. Современные технологии полевых работ при проведении крупномасштабной топографической съёмки

2.1 Технология производства топографической съёмки с использованием электронного тахеометра

2.1.1 Метод развития ПВО «в углах»

2.1.2 Метод развития «в координатах»

2.1.3 Развитие ПВО методом «свободной станции

2.2 Технология производства топографической съёмки с использованием спутниковых приёмников

2.2.1 Требования к созданию ПВО и съёмке методами GNSS

2.2.2 Технология съёмки с использованием одиночной базовой станции

2.2.3 Технология съёмки в сетях точного позиционирования

Глава 3. Анализ технологии полевого кодирования

Глава 4. Съёмка и обследование смотровых колодцев подземных коммуникаций

Глава 5. Современные технологии камеральной обработки данных полевых измерений

5.1 Обработка геодезических измерений в программе CredoDAT

5.2 Обработка измерений в программе TopoCAD

5.3 Вычерчивание топографического плана в программе TopoCAD

5.4 Вычерчивание топографического плана в программах AutoCAD и GeoniCS

5.5 Пример написания приложения на языке AutoLISP

Глава 6. Анализ соответствия условных знаков для топографических планов современным требованиям науки и производства

6.1 Сравнение условных знаков ГУГК, Треста ГРИИ и ГУП «Мосгортрест»

6.2 Сравнение свода отечественных условных знаков масштабов 1:500 - 1:5000 с зарубежными аналогами

Заключение

Список литературы и источников



Введение

Методы создания топографических карт и планов постоянно совершенствуются. Меняются как технологии полевых работ, так и камеральная обработка полевых материалов. Так, например, наряду с применением электронных тахеометров все большее распространение получает съемка с использованием спутниковых приемников в режиме реального времени (RTK). В камеральных работах соответственно появляются новые программные комплексы (или совершенствуются старые), позволяющие автоматизировать обработку полевых данных, полученных с различных видов геодезических приборов. В результате изменений возникают новые технологические схемы выполнения топографической съёмки. Кроме того, к настоящему времени назрела необходимость анализа картографической составляющей изучаемого вопроса, а именно - соответствие действующей системы условных обозначений для топографических планов современным требованиям науки и производства. Данная работа посвящена рассмотрению этих схем, оценки их эффективности в различных условиях, а также анализу действующих условных обозначений для топографических планов и созданию методических материалов для обучения студентов и начинающих топографов.

Объект исследования: Современные методы создания крупномасштабных топографических планов.

Предмет исследования: Современные технологии создания топографических планов и их внедрение в учебный процесс.

Цели:

* Изучение современных методов создания топографических планов 1:500-1:5000.

* Анализ условных знаков для топографических планов масштабов 1:500-1:5000

на предмет соответствия современным требованиям науки и производства.

* Написание методического пособия по съёмке топографических планов, предназначенного для студентов 2 курса кафедры картографии и начинающих топографов.

Задачи:

* Общее описание работ при производстве топографической съёмки, составление списка нормативных документов и актов, регулирующих данную отрасль.

* Описание современных методов ведения топографической съёмки: создания съёмочного обоснования, съёмки ситуации и рельефа, обследования подземных коммуникаций. Изучение технологии топографической съёмки с использованием спутниковых приёмников (съёмка с использованием одиночной базовой станции и работа в сетях точного позиционирования)

* Сравнение технологий съёмки с использованием полевого кодирования и без использования данного метода.

* Описание современных методов обработки данных полевых измерений с использованием программных комплексов Credo_DAT и AutoCAD.

* Анализ условных знаков ГУГК и треста ГРИИ на предмет их соответствия современным требованиям науки и производства.

* Составление методического руководства по созданию топографических планов для студентов 2 курса с привлечением современных материалов.



Глава 1. Обзор современного состояния отрасли крупномасштабной топографической съёмки

Топографическая съёмка -- комплекс работ, выполняемых с целью получения съёмочного оригинала топографических карт или планов местности, а также получение топографической информации в другой форме. Результатом топографической съёмки является топографический план.

Топографическими планами принято называть картографические изображения на плоскости в ортогональной проекции ограниченного участка местности, в пределах которой кривизна уровенной поверхности не учитывается (Верещака, 2002).. На рис.1. приведена схема, отражающая место и назначение топографических планов в общей системе топографо-геодезических работ.

Рис.1. Место топографических планов в общей классификации топографо-геодезических работ (Верещака, 2002).

Перечень нормативных документов с требованиями к производству топографической съёмки приведён в методическом руководстве (приложение 1).

В общем виде, современное производство топографических планов состоит из нескольких этапов (рис.2):

* Получение технического задания, составление смет и программы работ.

* Рекогносцировка, получение выписок координат пунктов ГГС и заказ топографических планшетов на территорию съёмки.

* Развитие съёмочного обоснования на участок съёмки.

* Съёмка планово-высотной части и выходов подземных коммуникаций

(I часть полевых работ).

* Математическая обработка результатов измерений, вычерчивание ситуации и построение рельефа в САПР.

* Обследование подземных коммуникаций и ведение журнала обследования

(II часть полевых работ).

* Нанесение результатов обследования подземных коммуникаций на план

* Согласование результатов обследования с эксплуатирующими организациями (рис.3).

* Передача одного экземпляра готового топографического плана заказчику и второго - в картографо-геодезический фонд. Уничтожение выписок координат пунктов ГГС и подписание акта об уничтожении.

Обычно, топографическая съёмка производится для следующих целей:

* Для проектирования (в том числе - ландшафтного)

* Для подключения коммуникаций (газ, водопровод, электричество)

* Для составления градостроительного плана

* Для целей инвентаризации

* Для расчёта земляных масс

* Для межевания*

*Межевание - геодезический способ определения границ земельного участка в горизонтальной плоскости.

В современных условиях, крупномасштабный топографический план может быть создан с использованием самых разнообразных инструментов и методов, а также их комбинаций. Появилось множество технологических схем производства полевых работ и камеральной обработки результатов выполненных измерений. Для получения исходных пространственно-координированных данных в настоящий момент используется не только традиционный метод (производство топографической съёмки с использованием электронного тахеометра от пунктов ГГС), но и приёмы крупномасштабной аэрофотосъёмки с использованием БПЛА (беспилотных летательных аппаратов), а также методы наземного, воздушного и мобильного лазерного сканирования, и съёмка с применением ГНСС-технологий.

В настоящей работе подробно рассматриваются методы съёмки с применением геодезического ГНСС-приёмника и электронного тахеометра (главы 2,3,5). Такие методы, как лазерное сканирование и применение БПЛА рассмотрены в краткой форме.

Рис.2. Современная схема создания топографических планов.

Рис.3. Порядок сдачи топографического плана в КГА и схема согласования нанесённых на план коммуникаций с эксплуатирующими организациями.

Рассмотрим подробнее такие методы создания топографического плана, как лазерное сканирование и крупномасштабная съёмка с использованием БПЛА.

Наземное лазерное сканирование. При применении этого метода, съёмочное обоснование создаётся посредством прокладки сканерных ходов или создания сканерной сети от опорных пунктов, определённых традиционными геодезическими методами, пункты сканерной сети закрепляются на местности марками (рис.4).

Рис.4. Съёмочное обоснование при производстве сканерной съёмки (Канашин, 2014).

При этом, в случае использования опорных марок, точность такого хода или сети не только будет полностью удовлетворять требованиям нормативных документов, но и позволит сократить объём работ при создании съёмочной сети для топографической съёмки.

Суть метода лазерного сканирования сводится к получению модели местности, состоящей из точек отражений множества лазерных лучей, описывающих как поверхность земли, так и все расположенные на ней объекты в виде координат (X;Y;Z), которые имеет каждая полученная точка.

При всех своих достоинствах (высокая скорость и точность съёмки, простота применения в полевых условиях), у данного метода есть и недостатки, такие как: высокая стоимость оборудования и программного обеспечения (цена НЛС и его периферии составляет несколько миллионов рублей, и, чтобы такое вложение окупилось, нужен стабильно высокий объём работ, что, при современном состоянии рынка, обеспечивается не всегда), сложность и большой объём камеральной обработки данных измерений, невысокая дальность измерений и низкая эффективность работы на территории лесных массивов (даже в осенний и ранний весенний период), которые составляют львиную долю всех объектов, где требуется проведение топографической съёмки.

Точность наземного лазерного сканирования зависит от метода, с помощью которого определяются расстояния (импульсный или фазовый), и колеблется в пределах от нескольких миллиметров до первых сантиметров, в зависимости от расстояния.

Воздушное лазерное сканирование (лидарная аэросъёмка). Выполняется с воздушного судна, обычно, самолёта или вертолёта. В топографо-геодезических работах применяется при съёмке рельефа. Благодаря большому количеству снимаемых точек на единицу площади и возможности сканирования под разными углами, можно получить координаты точек лазерных отражений, находящихся под кронами деревьев.

Процесс воздушного лазерного сканирования - комплексный. Кроме самого лазерного сканера, в процессе съёмки участвует инерциальная система и приборы спутникового позиционирования.

Для каждого лазерного импульса измеряется время между отправкой и приемом, по этой разнице измеряется расстояние. Также измеряется угол сканирования, координаты и высота воздушного судна. На борту самолёта находится приёмник GPS, который регистрирует его положение (X;Y;Z) через фиксированные интервалы времени. Инерциальная измерительная навигационная система используется для непрерывного определения таких параметров положения воздушного судна в воздухе, как наклон относительно поперечной оси, рыскание и крен. Вычисление координат точек отражения каждого лазерного луча производится путём совместной обработки текущих координат воздушного носителя, ориентации лазерного сканера в пространстве и измеренных расстояний. Для вычисления траектории полета с более высокой точностью проводится дифференциальная коррекция по измерениям наземных ГНСС-станций.

Координаты точек, определённые с помощью воздушного лазерного сканирования, имеют точность планового положения около 9-10 см при полёте летательного аппарата на высоте 1 км (nipistroytek.ru).

Мобильное лазерное сканирование. Съёмка производится при движении сканера, установленного на транспортное средство (автомобиль, поезд, судно). Сканирование производится на расстояние до нескольких сотен метров во всех направлениях. Используется для съёмки линейно-протяжённых объектов, таких как шоссе, железнодорожные пути или каналы.

Также как в случае с ВЛС, система мобильного лазерного сканирования состоит из двух блоков - измерительного и навигационного. Измерительный блок производит сканирование объектов, а система позиционирования осуществляет пространственную привязку траектории движения сканера по данным ГНСС-измерений.

Рис.5. Облако точек, полученное методом мобильного лазерного сканирования (nipistroytek.ru).

Данные наземного, мобильного и воздушного лазерного сканирования представляют собой облако точек (рис.5), где каждая точка имеет разную яркость в зависимости от интенсивности отражённого от неё лазерного луча. При необходимости, материалы лазерного сканирования возможно дополнять фотограмметрическими данными, чтобы придать объектам чёрно-белого изображения реальные цвета.

Точность измерений составляет около 8 мм на 150 м.

Использование БПЛА. Беспилотные летательные аппараты, помимо военного применения, используются также при дистанционном зондировании, и, как частный случай, для создания и обновления топографических планов масштабов 1:1000 - 1:5000 (с высотой сечения рельефа от 1 м) по данным аэросъёмки. Общая технологическая схема создания плана по данным съёмки с БПЛА представлена на рис.6. Съёмка производится с высоты от 100 до 1000 метров.

Рис.6. Технологическая схема создания ЦТП с помощью БПЛА (Шевня, 2013)

На борту БПЛА находится ГНСС-приёмник, который обеспечивает плановую привязку с сантиметровой точностью. При этом, наземное планово-высотное обоснование требуется не всегда.

Достоинства метода БПЛА для создания ЦТП заключаются в высоком пространственном разрешении (на снимке видны объекты сантиметрового размера), возможности съёмки крупных незастроенных территорий за короткий срок и относительно невысокая стоимость (стоимость создания ЦТП 1:2000 будет стоить около 350 рублей за гектар). Недостатками метода съёмки с БПЛА являются: сильная зависимость от погодных условий, недостаточная точность измерений для создания ЦТП масштаба 1:500 (это самый распространённый масштаб, в котором требуется выполнения съёмки) и невысокая надёжность самих аппаратов.

Пример топографического плана, созданного с использованием технологии БПЛА приведён на рис.7.

Рис.7. Топографический план, созданный с помощью БПЛА (siproen.ru).

Очень часто данный метод используется совместно со спутниковой и тахеометрической съёмкой для создания топографического плана масштаба 1:500 (участки, которые невозможно отснять с помощью БПЛА, снимают электронным тахеометром). Однако, съёмка с БПЛА обеспечивает необходимую точность по высоте только для планов масштаба от 1:1000, так что этот момент необходимо отдельно обговаривать с заказчиком.



Глава 2. Современные технологии полевых работ при проведении крупномасштабной топографической съёмки

2.1.Технология производства топографической съёмки с использованием электронного тахеометра

Электронный тахеометр - геодезический инструмент, выполненный в едином электронно-оптическом блоке, предназначенный для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов и определения значений их функций (ГОСТ Р 51774-2001).

Электронные тахеометры (далее - тахеометры) могут подразделяться по назначению, конструкции, по принципу работы и другим параметрам.

По назначению:

* Технические (отсутствует безотражательный режим, относительно невысокая точность измерений). Пример: Тахеометр Sokkia Set 600.

* Строительные (отсутствует винт лимба, высокая точность измерений как в безотражательном режиме, так и на отражатель). Пример: Leica Builder Series.

* Инженерные (возможность вести измерения при двух кругах, в безотражательном режиме и на отражатель, могут быть оборудованы фотокамерой, GNSS-модулем, мощным процессором, слотами и портами для USB и флэш-карт, коммуникационными каналами, такими как Wi-Fi и Bluetooth). Пример: Sokkia FX-101.

По конструкции:

* Модульные (с возможностью замены всех элементов конструкции тахеометра, таких как зрительная труба, клавиатура, процессор и.т.д.).

* Интегрированные (теодолит, светодатльномер, GNSS-система и другие устройства объединены в один механизм).

* Неповторительные (лимб наглухо закреплён с подставкой и имеет лишь закрепительные винты либо приспособления для поворота и закрепления его в разных положениях).

По принципу работы:

* Электронно-оптические (для геодезических работ с безотражательным дальномером, бесконечными наводящими винтами и изменением градации лимба в соответствии с классом проводимых работ). Являются технологическим продолжением номограммных тахеометров.

* Роботизированные (с сервоприводом и системами распознавания, захвата, слежения за целью, что позволяет выполнять работы одному сотруднику, гарантируя дополнительную точность измерений). Пример: Sokkia DX-101AC.

Для топографической съёмки оптимально использовать инженерный тахеометр наиболее простой комплектации, с возможностью производства измерений в безотражательном режиме, съёмки при двух кругах и слотом для флэш-карты. При производстве больших объёмов работ на охраняемой территории выгодно использование роботизированного тахеометра, несмотря на его высокую стоимость.

Тахеометр изначально разрабатывался преимущественно для проведения топографической съёмки, только потом уже оказалось, что он является фактически универсальным геодезическим инструментом.

Использование в топографии тахеометра вместо оптического теодолита позволило повысить производительность и точность в 10 и 30 раз соответственно. Различие в достигаемой точности видно из формулы, где m - погрешность положения точки в зависимости от расстояния до прибора (Чугреев, 2012):

Таким образом:

К тому же, при использовании тахеометра полностью исключаются такие действия, как снятие отсчётов и их запись в журнал, а также ведение абриса, если используется технология полевого кодирования или съёмка с условной кодировкой.

Относительно недавно появилась возможность интегрировать в тахеометр такие устройства как GNSS-приёмник или фотограмметрическую систему, подключить электронный планшет, а также автоматизировать сам процесс съёмки при использовании роботизированных тахеометров. При этом, геодезист может работать без напарника с вешкой, так как роботизированный тахеометр, при помощи сервоприводов и соответствующего программного обеспечения, автоматически отслеживает положение призмы в заданной системе координат.



Процесс съёмки будет выглядеть следующим образом:

* К тахеометру подключается электронный планшет, на котором автоматически будут вычерчиваться точки, линии и полигоны по ходу съёмки.

* Выполняется ориентирование тахеометра в системе координат.

* Геодезист, по очереди снимая пикеты, задаёт каждой точке на планшете соответствующую условную кодировку (например, MZ - металлический забор) и прямо в поле вычерчивает на планшете цифровой абрис в условных знаках. То есть, тахеометрическая съёмка приобретает положительные черты мензульной съёмки.

* Данные с планшета передаются на компьютер для вычерчивания топографического плана по цифровому абрису и его оформления в чистовом виде.

Развитие съёмочного обоснования для топографической съёмки при помощи тахеометра может осуществляться тремя способами: «в углах» (полярным способом), «в координатах» (посредством решения прямой или обратной геодезических задач) и способом «свободной станции» (сгущение съёмочной сети посредством закрепления марок на стенах капитальных сооружений, на которые впоследствии можно будет выполнить засечку и продолжать съёмку). Каждый из этих способов имеет свои особенности и соответствующие условия для применения. Рассмотрим их более подробно.

2.1.1 Метод развития ПВО «в координатах»

Сущность данного метода заключается в следующем: перед началом съёмки прибор следует ориентировать в системе координат, сделать это можно двумя способами - в первом случае, по известным координатам точек исходного базиса вычисляются дирекционный угол и расстояние, во втором случае, дирекционный угол направления на точку съёмочного обоснования может быть задан в ручном режиме, а расстояние измерено светодальномером, таким образом, будет выполнено ориентирование прибора в системе прямоугольных координат, а отсчёт по горизонтальному кругу будет равен исходному дирекционному углу. Далее можно оценить точность взаимного положения пунктов съёмочного обоснования с помощью функции выноса проектной точки в натуру. В результате будет измерено несколько величин отклонений - невязки по высоте, по углу и по длине. Если вычисленные величины отклонений не превышают допустимых, то можно приступать к дальнейшему развитию съёмочного обоснования.

Относительно недавно, с появлением мощных программно-вычислительных средств, развитие ПВО «в координатах» стало возможным производить и в условной системе, без участия опорной сети на этапе съёмки, с последующей трансформацией измеренных координат в СК, реализуемую ГГС, при помощи так называемого способа «доворота» (рис.8). Данный способ может быть полезен при работе в малонаселённых районах с низкой плотностью пунктов государственной геодезической сети, так как точки съёмочного обоснования в данном случае придётся определять статическим методом GNSS, что требует дополнительных временных затрат. Наиболее выгодным по времени, будет организация работы в две бригады: пока одна бригада развивает сеть ПВО статическим методом, другая выполняет измерения в условной системе координат, после чего, способом «доворота» (Чугреев, 2012), производится трансформация измерений в систему координат съёмочной сети, развитой статическим методом GNSS.

Рис.8. Геометрическое представление способа «доворота».



Способ «доворота» реализуется следующим образом (рис.8):

* Определяется дирекционный угол направления в системе координат ГГС:

* Определить дирекционный угол этих же точек в условной системе координат съёмки:

* Найти угол доворота для условной системы координат:

* Определить масштабный коэффициент векторов базисных точек:

* Уточнить масштабный коэффициент, если базисных точек больше двух:

* Относительно исходной базисной точки вычисляются вектора всех пикетных точек и дирекционные углы на эти точки в условной системе координат:

* Исправляются горизонтальные проложения за масштабный коэффициент (исправляются за линейную невязку точек в двух системах координат) и добавляется угол доворота к дирекционному углу данного направления в условной системе координат съёмки:

* Вычисляются координаты в системе координат государственной сети:

2.1.2 Метод развития ПВО «в углах»

При использовании данного метода, ориентация прибора происходит в условной полярной системе координат. На каждой станции теодолитного хода необходимо производить обнуление горизонтального круга на заднюю точку съёмочного обоснования и снимать отсчёт на переднюю точку. После чего, начальным и конечным точкам съёмочного обоснования присваиваются соответствующие им координаты и высоты, решается обратная геодезическая задача, вычисляется исходный дирекционный угол, после чего вычисляются координаты и высоты точек теодолитного хода на основе исходного дирекционного угла, измеренных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Далее производится оценка точности и уравнивание результатов измерений.

Сущность данного метода не претерпела никаких существенных изменений за последние несколько столетий, с начала появления мензулы и кипрегеля в 14 веке, а в классическом виде он стал применяться с появлением в 1901 году тахеометра Гаммера фирмы «Брейтгаупт». Со временем увеличивалась лишь точность и скорость выполняемых измерений, а также скорость их обработки (Чугреев, 2012).

2.1.3. Развитие ПВО методом «свободной станции».

Сущность метода «свободной станции» заключается в закреплении точек съёмочного обоснования с помощью плёночных отражателей или маркерных отметок на стенах капитальных сооружений (Кукушкин, 2010), а название данного метода происходит от того, что привязку точки стояния прибора к системе координат можно осуществлять из любого места, при условии обзора с неё минимум двух марок (для достижения большей точности желательно, чтобы марок было 3-5).

Отличия метода «свободной станции» от вышеизложенных методик состоят в следующем:

* Возможность работать без напарника с вешкой

* При соблюдении определённых условий - более высокая точность получаемых результатов в сравнении со стандартными методами за счёт исключения некоторых источников погрешностей, свойственных для стандартных методов съёмки (ошибка центрирования прибора над точкой стояния, ошибка установки вешки с отражателем над точкой съёмочного обоснования, ошибка измерения высоты прибора).

* Высокая оперативность работы

* Необходимость более внимательно следить за вводом названий марок, так как, обычно, их большое количество, и неправильный ввод названия может внести существенную путаницу при обработке

* Низкая дальность измерений, так как съёмка ведётся в безотражательном режиме или с использованием плёночного отражателя

Для начала необходимо привести тахеометр в рабочее положение, расклеить первые несколько марок, подписать их номера и произвести измерения на них. После чего, на следующей станции, нужно установить прибор таким образом, чтобы с неё было видно как минимум 3 марки, измеренные с начальной станции. Желательно также стремиться к наиболее правильной геометрии засечки (угол между марками должен быть не менее 60? и не более 120?).

Продолжать измерения можно двумя способами - с использованием встроенной в тахеометр программы обратной засечки и без её использования. Отличие заключается лишь в том, что в первом случае есть возможность оценки точности производимых измерений непосредственно в поле.

При использовании функции обратной засечки порядок действий будет следующим: произвести измерения на первую марку, вынесенную с первой станции, ввести высоту цели (высота марки будет равной 0.000 м.), далее необходимо произвести считывание координат первой марки из памяти прибора, те же самые операции производятся с оставшимися марками, после чего, на основе считанных координат, производится вычисление пространственного положения точки стояния тахеометра с оценкой точности определения координат. Те же самые действия производятся и с последующих станций. По завершении работ на последней станции во время измерений на марки нужно измерить минимум 2-3 марки, измеренных с первой станции. Таким образом, производится замыкание в линейно-угловой сети.

Во втором случае считывать координаты станции не нужно, достаточно лишь произвести измерения на марки, а координаты вычислить уже на этапе обработки.

Использование электронной тахеометрической съёмки в учебном процессе.

В настоящий момент, производство топографической съёмки с использованием электронного тахеометра входит в программу летней учебной практики по геодезии для студентов 2 курса соответствующего направления. Рассматриваются различные способы создания планово-высотного съёмочного обоснования (съёмка «в углах» и «в координатах») иногда рассматривается метод свободной станции и процесс выноса проектных точек в натуру.

Стоит отметить, что современные тахеометры располагают, в зависимости от модели и комплектации, весьма обширным набором функций (базовые линии, высотная засечка, вынос в натуру круговых кривых и дуг и.т.д.), поэтому, внедрение в общую учебную программу изучение прикладного функционала тахеометра было бы весьма полезным.

Можно добавить следующие разделы:

* Краткая инструкция по использованию прикладных программ тахеометра в следующем формате - описание функции, сферы использования, порядок действий с примерами на конкретной модели тахеометра.

* Приёмы и правила засечки по маркам (реализация метода «свободной станции»)

* Вынос в натуру границ земельного участка (в плане) и инженерного сооружения (в плане и по высоте) с использованием функций тахеометра.



2.2 Технология производства топографической съёмки с использованием спутниковых приёмников.

2.2.1 Требования к созданию ПВО и съёмке методами GNSS

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - система радионавигационных искусственных спутников Земли, службы контроля и управления и приёмников спутниковых радиосигналов, обеспечивающая координатно-временные определения на земной поверхности и в околоземном пространстве (ГКИНП-02-262-02).

Геодезическая основа для создания ПВО:

* Государственные геодезические сети (триангуляция и полигонометрия 1-4 классов, нивелирование 1-4 классов, ФАГС, ВГС, СГС-1)

* Геодезические сети сгущения (триангуляция и полигонометрия 1 и 2 разрядов, техническое нивелирование)

* Съёмочное обоснование от предыдущих съёмок

Координаты и высоты пунктов съёмочного обоснования вычисляют в принятой в Российской Федерации государственной геодезической системе координат и в Балтийской системе высот 1977 года.

Средняя плотность пунктов государственной геодезической и нивелирной сетей для создания съёмочного обоснования топографических съёмок с применением глобальных навигационных спутниковых систем, в зависимости от масштаба съёмки и характера территории, должна соответствовать значениям, указанным в табл.1.



Таблица 1. Средняя плотность пунктов ГГС и нивелирной сетей для создания съёмочного обоснования топографических съёмок с применением глобальных навигационных спутниковых систем (ГКИНП-02-033-82)..

Для различных масштабов съёмки следует использовать высоты сечения рельефа, приведённые в табл.2.

Таблица 2. Высоты сечения рельефа для топографических съёмок (ГКИНП-02-033-82).

Плановые координаты и высоты пунктов съёмочного обоснования с применением глобальных навигационных спутниковых систем определяют построением съёмочных сетей или методом висячих пунктов.

В качестве исходных пунктов, от которых развивается съёмочное обоснование следует использовать все пункты геодезической основы, находящиеся в пределах объекта и ближайшие к объекту за его пределами, но не менее 4 пунктов с известными плановыми координатами и не менее 5 пунктов с известными высотами, так чтобы обеспечить приведение съёмочного обоснования в систему координат и высот пунктов геодезической основы.

Геодезическая основа, используемая в качестве опоры для проведения съёмки ситуации и рельефа, должна удовлетворять требованиям по беспрепятственному и помехоустойчивому прохождению радиосигналов.

Таблица 3. Рекомендации по применению методов развития съёмочного обоснования и методов спутниковых определений для различных масштабов съёмки и высот сечения рельефа (ГКИНП-02-262-02).

При проектировании развития съёмочного обоснования методом построения сети (рис.9), программа полевых работ на объекте должна быть составлена так, чтобы все линии сети были определены независимо друг от друга, включая линии, опирающиеся на пункты геодезической основы. При этом необходимо запроектировать определение линий от каждого вновь определяемого пункта съёмочного обоснования не менее чем до 3 пунктов.

Рис.9. Метод построения сети (ГКИНП-02-262-02)..

При планировании развития съёмочного обоснования методом определения висячих пунктов (рис.10), необходимо запроектировать определение линий от каждого пункта съёмочного обоснования до ближайшего к нему пункта геодезической основы, а также между соседними пунктами геодезической основы, либо, если это целесообразно, необходимо запроектировать определение линий от пунктов съёмочного обоснования до нескольких ближайших пунктов геодезической основы, получая таким образом засечки. При этом во всех случаях геодезическое построение должно включать необходимое количество пунктов геодезической основы.

Рис.10. Метод висячих пунктов (ГКИНП-02-262-02)..

Для производства съёмки ситуации и рельефа рекомендуется использовать способ «стой-иди», являющийся разновидностью кинематического метода спутниковых определений.

Приёмники, предназначаемые для производства работ по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа, должны соответствовать следующим техническим требованиям:

* Должно иметься не менее 6 каналов приёма радиосигналов.

* Должна быть обеспечена возможность измерения фазы несущего радиосигнала.

* Встроенное программное обеспечение должно поддерживать необходимые для работы методы спутниковых определений

* Во время наблюдения спутников должна обеспечиваться возможность получения и вывода на дисплей следующей основной информации:

_ Числа наблюдаемых спутников

_ Числа эпох наблюдений

_ Значения фактора PDOP (или GDOP)

_ Сообщения о потере связи

* Должна быть обеспечена возможность ввода, хранения и вывода на компьютер семантической информации.

* Комплект приёмника должен включать программный пакет для обеспечения вычислительной обработки и прогнозирования спутникового созвездия.

При работе со спутниковой аппаратурой необходимо соблюдать следующие правила (ГКИНП-02-262-02):

* Следить за индицируемым на дисплее значением свободного объёма запоминающего устройства приёмника и вовремя принимать меры по передаче накопившейся информации в ЭВМ.

* Во избежание утраты данных спутниковые определений, по окончании каждого рабочего дня копировать полученные данные на дискету (PC-карту).

* Всегда отражать в полевом журнале (или его электронном аналоге) ход выполнения работ: время начала и конца приёма, инициализации, потери связи и т. п.

* Не допускать образования толстого снежного покрова на поверхности антенны приёмника и её обледенения.

* Беречь антенну от попадания разряда молнии.

* По окончании рабочего дня упаковывать комплект спутниковой аппаратуры в транспортировочные ящики во избежание механических повреждений или воздействия метеофакторов.

В сеансе для осуществления приёма на каждом пункте необходимо выполнить следующие операции (ГКИНП-02-262-02):

* Провести развёртывание аппаратуры, установить приёмник на пункте и определить высоту антенны.

* Подготовить приёмник к работе, как указано в эксплуатационной документации.

* Установить режим регистрации данных наблюдения спутников.

* Пользуясь клавиатурой, ввести в запоминающее устройство: значение номера пункта, значение высоты антенны и вспомогательную информацию: время начала и конца приёма, потерь связи и др.

* Провести приём наблюдений спутников в течение времени, указанного в рабочей программе полевых работ для применяемого метода спутниковых определений.

* Выключить режим регистрации данных и выполнить свёртывание аппаратуры.

Для осуществления работ на каждом участке съёмки необходимо выполнить следующие действия (ГКИНП-02-262-02):

* Провести развёртывание аппаратуры, входящей в комплект подвижной станции так, как это рекомендовано эксплуатационной документацией для способа «стой-иди», и определить высоту антенны.

* Подготовить приёмник к работе, как указано в эксплуатационной документации.

* Установить режим «стой-иди».

* Установить режим регистрации данных наблюдений спутников.

* Пользуясь клавиатурой, ввести в запоминающее устройство значение высоты антенны.

* Выполнить инициализацию, как описано в эксплуатационной документации применяемого приёмника, и, не выходя из режима «стой-иди», выключить режим регистрации данных наблюдения спутников.

* Установить приёмник на съёмочный пикет.

* Установить режим регистрации данных наблюдения спутников.

* Пользуясь клавиатурой, ввести в запоминающее устройство значение номера пикета, значение высоты антенны и необходимую семантическую информацию.

* Выполнить регистрацию данных наблюдения спутников в течение времени, указанного в рабочей программе полевых работ, и, не выходя из режима «стой-иди», выключить режим регистрации данных.

* Повторить вышеперечисленные действия на всех пикетах участка съёмки.

* Выключить приёмник и выполнить свёртывание аппаратуры.

Порядок вычислительной обработки GNSS-измерений:

* Предварительная обработка - разрешение неоднозначностей фазовых псевдодальностей до наблюдаемых спутников, получение координат определяемых точек в системе координат ГНСС системы и оценка точности.

* Трансформация координат в принятую систему координат.

* Уравнивание геодезических построений и оценка точности.

В результате проведения вычислительной обработки должен быть составлен каталог координат и высот пунктов съёмочного обоснования.

Вышеизложенные требования и рекомендации были приняты ещё в 2002 году, когда развитие ПВО и съёмка с помощью ГНСС-приёмников только начинали получать широкое распространение в России.

Однако, с недавнего времени в крупных городах и их областях начали развиваться сети референцных базовых станций, обеспечивающих передачу дифференциальных поправок к измеренным «сырым» данным посредством различных каналов связи (радио, сотовая связь, Интернет). С момента начала функционирования базовых станций исчезла необходимость ставить свою базу для выполнения съёмки, из оборудования теперь нужно иметь лишь спутниковую антенну с вешкой и контроллер, что помогло в разы ускорить работу в области изысканий. Соответственно, назрела необходимость в издании нормативного документа, который позволил бы геодезистам, и, прежде всего, топографам, официально воспользоваться всеми преимуществами новой технологии.

Документ (ref.kgainfo.spb.ru), регулирующий использование сети базовых станций (для Санкт-Петербурга) был опубликован 18 марта 2014 года. В нём содержатся следующие разделы:

* Требования к выполнению работ по созданию временного съёмочного обоснования на основе применения спутниковой аппаратуры в режиме реального времени (RTK) с использованием сети референцных станций г. Санкт-Петербурга.

* Состав отчёта по созданию временного съёмочного обоснования на основе применения спутниковой аппаратуры в режиме реального времени (RTK) с использованием сети референцных станций г. Санкт-Петербурга.

* Требования к выполнению работ по созданию временного съёмочного обоснования на основе применения спутниковой аппаратуры статическим методом с использованием сети референцных станций г. Санкт-Петербурга.

* Состав отчёта по созданию временного съёмочного обоснования на основе применения спутниковой аппаратуры статическим методом с использованием сети референцных станций г. Санкт-Петербурга.

* Требования к выполнению работ по топографической съёмке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500 на основе применения спутниковой аппаратуры в режиме реального времени (RTK) с использованием сети референцных станций г. Санкт-Петербурга.

Опуская техническую и отчётную части документа, можно отметить несколько ключевых моментов, касающихся непосредственно развития ПВО и топографической съёмки:

* При отсутствии в районе объекта работ пунктов городской геодезической сети при создании съёмочного обоснования с применением спутниковой аппаратуры должны быть определены координаты и высоты не менее 4-х точек.

* На каждом объекте работ должно быть выполнено контрольное определение координат и высот не менее чем на трёх исходных пунктах.

* Статические наблюдения на каждой точке выполняются одним приёмом продолжительностью не менее 1 часа.

* При наблюдениях статическим методом на каждом объекте работ должно быть выполнено контрольное определение координат и высот на одном исходном пункте.

* Максимальное удаление исходных пунктов, используемых для контрольного определения координат и высот, от объекта работ не должно превышать 3 км (для районов, где плотность пунктов не позволяет выполнить данное условие, увеличение дальности должно быть согласовано со специалистами геолого-геодезического отдела КГА, осуществляющими полевую проверку работ).

Стоит также отметить, что в Санкт-Петербурге функционирует ещё сеть РС «GeoSpider» с большим территориальным охватом, чем у сети КГА, однако, официальным принимающим органом является именно Комитет Градостроительства и Архитектуры, поэтому, для выполнения съёмки с официальной сдачей её результатов, нужно работать от сети РС данного ведомства.

2.2.2 Технология съёмки с использованием одиночной базовой станции (относительная кинематика)

Данная технология является следующим этапом развития DGPS (статический метод дифференциальных измерений).

Для начала, необходимо обозначить определения, которые будут встречаться по ходу дальнейшего изложения (Курошев, 2011):

Базовая референц-станция - спутниковый приёмник геодезического класса, устанавливаемый на пункте с известными координатами.

Подвижная станция (ровер) - спутниковый приёмник, служащий для выполнения приёма на точке, местоположение которой определяют.

В общем виде, суть съёмки с использованием одиночной базовой референц-станции можно описать следующим образом: приёмник базовой станции, используя свои точные координаты, определяет дифференциальные поправки для псевдодальностей (фаз) или координат, которыми приёмник подвижной станции исправляет собственные измеренные параметры и в результате получает уточнённые координаты (рис.11).

Рис.11. Сущность метода относительной кинематики.

Метод относительной кинематики позволяет определять приращения координат между базовой референц-станцией и ровером с точностью до 1 сантиметра на расстоянии до 30 километров, при этом, время, необходимое на одно измерение, к настоящему моменту удалось сократить до 1 секунды за счёт использования интернета.

Передача дифференциальных поправок от базовой референц-станции к роверу может осуществляться двумя способами (Байков, 2012):

* После выполнения измерений (постобработка). Обработка результатов спутниковых наблюдений на компьютере с помощью специального программного обеспечения.

* В реальном времени. Передача поправок в формате RTCM по радиомодему или иному средству беспроводной связи (GSM, Интернет/GPRS).

Стоит отметить, что использование радиомодемов ограничено законодательством, и на передачу информации с их помощью необходимо получать лицензию, к тому же, их запрещено использовать вблизи аэропортов и центров связи, а также вблизи мощных передатчиков.

Предельные расстояния между ровером и базовой станцией зависят от требуемой точности определения координат точек, методики наблюдений, класса точности оборудования и внешних условий. Например, если проводятся статические измерения при благоприятных условиях, то ровер может находиться на расстоянии до 100 километров от базовой станции, а при измерениях в режиме RTK - до 50 км.

Наблюдения выполняются в следующем порядке:

* Размещают GNSS-систему (базовую станцию) на пункте, для чего:

- Устанавливают штатив с подставкой (либо без нее, если используется штатив с фиксирующей высотой).

- Закрепляют внешнюю антенну на штативе и центрируют ее над точкой.

- Помещают приемник в кронштейн для полевых работ, который закрепляют на штативе.

- Подсоединяют кабель антенны к приемнику.

- Измеряют высоту антенны (расстояние от центра пункта до специальной метки на корпусе антенны).

* Приводят ровер в рабочее состояние.

* Устанавливают связь между ровером и базовой станцией, производят настройки. Также необходимо удостовериться в наличии всех условий для проведения спутниковых наблюдений.

* Проводят измерения.

* После завершения сеанса наблюдений выключают оба приемника и выполняют свертывание аппаратуры.

По окончании спутниковых определений данные из памяти всех приемников, участвующих в сеансе, загружают в компьютер для последующей обработки. Вычислительная обработка включает вычисление координат пунктов сети в системе

WGS-84 и трансформирование их в государственную или местную систему координат (систему координат опорной геодезической сети) с последующим уравниванием сети и оценкой точности.

2.2.3 Технология съёмки в сетях точного позиционирования

Под понятием «Сеть высокоточного позиционирования» нужно иметь в виду активную сеть непрерывно действующих базовых референц-станций GPS/ГЛОНАСС. Каждая такая базовая станция включает в себя (рис.12): приёмник ГНСС, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания и средства связи, которые установлены стационарно на специально подготовленное место. Управление работой непрерывно работающих приёмников ГНСС осуществляется вычислительным центром (компьютером), который может быть расположен на удалении от приёмника. Главным отличием сети базовых станций (далее - БС) от одиночной БС является наличие инфраструктуры, обеспечивающей поддержание работы БС (электропитание, защита от неблагоприятных воздействий, контроль за состоянием приёмников ГНСС), а также наличие каналов связи для передачи данных с удалённых приёмников ГНСС БС на сервер единого вычислительного центра (Евстафьев, 2008).

Зная точные координаты БС активной сети и используя постоянно поступающие данные спутниковых измерений с этих станций, вычислительный центр с помощью алгоритмов разрешения фазовых неоднозначностей находит невязки координат каждой из станций на каждый момент времени. Накапливаемые данные становятся основой для построения модели погрешностей определения местоположения в сети при помощи фильтра Калмана. В этой модели учитывается мгновенное состояние атмосферы, а также погрешности часов и орбит спутников ГНСС. На основе данной модели формируются дифференциальные поправки, общие для всех станций сети. Наконец, сетевые дифференциальные поправки передаются пользователям по различным каналам связи (GPRS, CDMA, GSM, 3G, 4G) для вычисления точных координат их местоположения (Евстафьев, 2008; Джоел ван Крейненброк, 2007).



Рис.12. Сущность работы сетей базовых референц-станций.

В настоящее время сети активных базовых станций действуют во многих странах мира (Россия, США, страны Европы, Великобритания, Австралия, Япония, Гонконг и.т.д.) и в городах России (Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск и.т.д.).

Примеры зарубежных сетей ПДБС (Евстафьев, 2008):

* EPN (EUREF Permanent Network). Европейская сеть ПДБС, статус которой приравнен к статусу сети IGS (многие станции EPN одновременно являются и станциями сети IGS). Сеть насчитывает порядка 200 станций.

* CORS (Contitiously Operating Reference Stations). Базовыми станциями CORS закреплена государственная координатная основа США. Сеть включает в себя 1274 станции, обслуживаемых Национальной геодезической службой США и около 200 станций, поддерживаемых другими организациями. Для каждой станции сети CORS публикуются координаты в общей земной системе отсчёта ITRF и в референцной системе отсчёта NAD-83, принятой в США.

* SAPOS - Служба спутникового позиционирования Геодезического Управления Германией (250 станций).

* SmartNET - Система национальной геослужбы Ordnance Survey, Великобритания и Ирландия (более 200 станций).

А также, порядка 1200 референцных станций в Японии и около 1800 активных базовых станций в Китае, Таиланде и Корее.

Примеры отечественных сетей ПДБС (ref.kgainfo.spb.ru; rusnavgeo.ru; zapsibagp.ru; geoskynet.com; geospider.ru):

* Сеть «GeoSpider» (27 базовых станций, Санкт-Петербург)

* Сеть «KGA» (10 базовых станций, Санкт-Петербург)

* Сеть ОАО «Западно-Сибирское аэрогеодезическое предприятие» (23 базовые станции, Тюменская область)

* Сеть НПП «Навгеоком»

* Сеть «GeoSkyNet» (18 базовых станций, Москва и Московская область)

* Сеть «Руснавгеосеть» (Более 300 базовых станций по всей России)

Рис.13. Сеть референцных базовых станций г. Санкт-Петербурга (сеть KGA)

Порядок работ при развитии съёмочного обоснования в режиме RTK от базовых станций:

* Убедиться в отсутствии факторов, негативно влияющих на устойчивый приём сигнала со спутников (раскидистые кроны деревьев, плотная застройка и.т.д.).

* Установить штатив.

* Установить и отгоризонтировать трегер на штативе.

* Центрировать штатив и трегер над определяемым пунктом.

* Закрепить адаптер на трегере.

* Закрепить антенну на адаптере трегера.

* Вставить крюк для измерения высоты в адаптер трегера, измерить высоту антенны.

* Включить антенну, затем включить контроллер, подключённый к интернет-сети.

* Создать проект в памяти контроллера.

* В настройках выбрать рабочую систему координат (к примеру, для Санкт-Петербурга - это СК GS_64) и убедиться, что GNSS - оборудование поддерживает протокол приёма поправок от базовых станций (к примеру, протокол NTRIP.v_03), там должно стоять галочка.

* Выбрать в меню пункт «старт RTK», зайти в меню измерений, подождать, пока приёмник инициализируется (т.е. начнёт принимать поправки от базовых станций).

* Запустить процесс накопления точности измерений.

* По достижении точности в 0.003-0.005 м записать точку.

Сеть ПДБС (постоянно действующих базовых станций ГНСС) является более эффективной, чем традиционные сети триангуляции и полигонометрии, так как между БС не требуется прямой видимости, точность определения координат выше, а геометрия построения сети оказывает меньшее влияние на точность измерений в сравнении с традиционными геодезическими сетями. Кроме того, сеть ПДБС является относительно надёжным хранителем координатной основы, которой являются центры антенн спутниковых приёмников, так как есть возможность отслеживать неизменность их пространственного положения в реальном времени.

Точность определения плановых координат коротких базовых линий (до 30-50 км) в режиме RTK находится в пределах , в статическом режиме - около . Точность определения высотного положения обычно в 2-3 раза ниже. Стоит отметить, что использование сети базовых станций в сравнении с одиночной при кодово-фазовых измерениях обеспечивает схожий по точности результат, однако, надёжность сети БС выше (Евстафьев, 2008).

Вышеупомянутый критерий надёжности сети является достаточно важным интегральным понятием. Надёжность сети БС может быть определена как способность сети выявлять грубые ошибки в наблюдениях и быть устойчивой к обнаруженным ошибкам. Различают внутреннюю надёжность (возможность обнаружения ошибок в наблюдениях, контроль наблюдений и обнаружение грубых ошибок по предельным допускам) и внешнюю (показатель влияния грубых ошибок измерений на нужные параметры и их функции, а также оценка влияния невыявленных ошибок на результаты уравнивания). Внешняя надёжность используется как мера для определения влияния возможной ошибки в наблюдениях на уравненные координаты (Антонович, 2014).

...