Цифровые методы топографических съёмок и их применение в учебном процессе

Далее рассмотрим подробно каждый компонент сети базовых референц-станций (Евстафьев, 2008):

* ГНСС-приёмник, периферия и контрольные датчики (метеодатчики, датчики наклона)

* Программное обеспечение вычислительного центра и аппаратуры пользователей

* Средства связи (беспроводные каналы и кабели)

* Источники бесперебойного питания

ГНСС-приёмник на базовой станции и его основные компоненты.

Наиболее подходящими многоканальными двухчастотными приёмниками для использования в качестве базовых, являются такие, которые принимают все типы спутниковых сигналов (L1, L2, кодовые и фазовые) и генерируют выходные данные всех требуемых форматов. Базовый приёмник должен регистрировать данные на большой скорости, постоянно передавать непрерывный поток «сырых» данных и выводить RTK и DGPS поправки в таких форматах как RTCM, Leica, CMR и CMR+, а также иметь значительный объём внутренней памяти для накопления данных в случае сбоев связи.

Некоторые ПДБС являются также частью всемирной международной сети IGS, поэтому к таким станциям предъявляются большие требования, в частности, обязательным является использование антенн особого типа - Choke-Ring, которые снабжены специальным экраном с кольцами для защиты от переотражённых сигналов со спутников, а также защитным куполом из радиопрозрачного материала во избежание попадания осадков и различного мусора. Для остальных сетей референцных станций (предназначенных для целей геодезического обеспечения процесса строительства и топографической съёмки) таких мер не требуется.

ГНСС-приёмники базовых станций должны иметь соответствующие входы (порты) для подключения различных периферийных устройств, такие как:

* COM-порт или Ethernet (для соединения с управляющим компьютером, на котором работает программное обеспечение БС)

* Порт для подключения устройств, осуществляющих трансляцию RTK и DGPS поправок

* Порт для подключения источников электропитания (основного и запасного)

* PPS-порт для вывода меток точного времени

* Порты для подключения датчиков наклона и метеодатчиков

Вследствие того, что спутниковые сигналы, проходя через все слои атмосферы, претерпевают некоторые искажения и задержки, приёмник ГНСС соединяется с метеорологическим датчиком. Использование таких датчиков на каждой базовой станции не только позволяет учесть искажения сигналов за счёт меняющихся погодных условий, но и предоставлять ценную информацию метеослужбам.

Также требуется периодически проверять пространственное положение антенны базовой станции, так как на неё оказывают влияние деформации из-за температурных колебаний и ветровой нагрузки. Для определения наклона основания антенны на нём закрепляют датчик наклона, соединённый с приёмником ГНСС. Электронный датчик измеряет величину наклона по двум плоскостям и передаёт измеренные значения в память приёмника ГНСС и могут быть внесены в RINEX-файл.

Основные требования к размещению и закреплению антенн постоянно действующих базовых станций (ngs.noaa.gov):

* Не допускается экранирование до угла возвышения 10? при наблюдении с точки размещения антенны, на углах возвышения от 0? до 10? следует минимизировать количество экранирующих объектов для обеспечения беспрепятственного обзора неба. Громоотводы и антенны систем связи должны располагаться не ближе 3 метров от спутниковой антенны.

* Рядом не должно находиться объектов, которые могут стать источниками многолучёвости. Рекомендуется использование антенн конфигурации Choke-ring.

* Все находящиеся вблизи пункта радиосредства должны быть указаны в паспорте пункта, чтобы была возможность учёта помех.

* В общем случае, высота столба должна составлять не менее 1.5 м над уровнем земли, а фундамент столба заложен на глубину хотя бы 4 метров ниже глубины промерзания, а центр масс должен находиться ниже глубины промерзания.

* Антенна может быть закреплена только на зданиях из кирпича или железобетона, и должно быть построено минимум за 5 лет до установки для обеспечения стабильности положения, так как пространственное положение фазового центра антенны является исходным при определении и задании координат базовой станции. Крепление должно осуществляться непосредственно к несущей стене здания, стойку рекомендуется использовать из нержавеющей стали, к тому же, стойка не должна мешать ремонту крыши.

* Антенна стойки не должна уклоняться от вертикали на угол, превышающий 0.15? (2.5 мм на 1 метр).

* Не допускается применение трегеров, так как их подъёмные винты не оснащены механизмом фиксации.

* Антенну следует ориентировать таким образом, чтобы антенный разъём или нанесённый на корпусе маркер был направлен на истинный север, так как используемые при обработке параметры положения фазового центра зависят от азимута.

* Рекомендуется установка грозоразрядника в антенном фидере, при этом он должен быть подключён к контуру заземления. Грозоразрядник предназначен для защиты электронных узлов при близком разряде молнии. Кроме того, под воздействием электромагнитных полей, возникающих во время грозы, в антенном кабеле может возникнуть электрический ток и повредить приёмник базовой станции. Грозоразрядник защищает не только антенну ГНСС, но и всё оборудование, которое к нему подключено.

* Обеспечение антивандальных мер.

Программное обеспечение вычислительного центра и аппаратуры пользователей

Компьютер на ПДБС, прежде всего, нужен для обеспечения удалённого контроля состояния и настроек приёмника ГНСС, а также для хранения больших объёмов данных измерений на базовой станции, так как память жёсткого диска компьютера намного больше встроенной памяти приёмника. Также возможно управление ГНСС-приёмником можно через Интернет посредством стандартного браузера.

Программное обеспечение БС на управляющем компьютере соединяется с приёмником ГНСС и автоматически, через определённые интервалы времени или непрерывно, передаёт файлы из встроенной памяти приёмника на жёсткий диск управляющего компьютера. В случае с непрерывной передачей данных, программным обеспечением ПДБС обеспечивается проверка данных на целостность и их фильтрация. «Сырые» данные измерений преобразуются в формат RINEX, Hatanaka или MDB, после чего архивируются и отправляются по электронной почте или на FTP-сервер или веб-сайт для дальнейшей постобработки.

Если пользователь сети базовых станций работает в режиме RTK, то программное обеспечение базовой станции формирует дифференциальные поправки (RTK или DGPS) и транслирует их на ГНСС-приёмники пользователей по различным каналам связи. Способы передачи поправок будут рассмотрены ниже более подробно.

Стоит добавить, что программное обеспечение базовой референц-станции включает в себя функции постобработки данных ГНСС-измерений пользователей. Кроме того, данное ПО должно выполнять ещё функции уравнивания результатов измерений, преобразования координат и составления итоговых отчётов.

При необходимости и через определённые промежутки времени производится контроль целостности сети посредством расчёта взаимного положения антенн приёмников ПДБС и их смещений.

Средства связи (беспроводные каналы и кабели)

Любая информация, которая передаётся в пределах сети точного позиционирования («сырые» данные измерений, дифференциальные поправки, данные о состоянии антенн приёмников ГНСС и.т.д.), требует наличия соответствующих каналов связи с различной степенью пропускной способности.

Каналы связи в сети точного позиционирования:

* Между приёмником ГНСС базовой референц-станции и вычислительным центром

* Между вычислительным центром и ровером (приёмником пользователя)

* Между вычислительным центром и компьютером пользователя (для обмена данных, нужных для постобработки измерений)

Типы средств коммуникаций для создания каналов связи:

* Кабель (посредством интерфейса RS232)

* Локальная сеть (посредством протокола TCP/IP)

* Сеть Интернет (посредством протокола TCP/IP и других средств)

* Модем (радиомодем, GSM, CDMA, 3G, 4G)

Если поблизости места установки БС проходят телефонные линии, то они могут быть использованы для подключения приёмника ГНСС к серверу. Если же рядом нет линий телефонной связи, то используются каналы мобильной связи с модемами (GSM, CDMA, TDMA, 3G, 4G). Наиболее удобным является метод, основанный на передаче данных посредством Интернет-протоколов. В случае, когда используется протокол передачи данных TCP/IP, все устройства и компьютеры сети точного позиционирования связаны между собой. То есть, приёмники ГНСС, серверы и периферийные устройства вычислительного центра обмениваются данными через Интернет, либо объединяются в компьютерную сеть (LAN, WLAN).

Если приёмник имеет подключенный модем сотовой связи, то после настроек, включения и инициализации модема, приёмник может получить временный динамический IP-адрес с помощью DNS-сервиса (система доменных имён). Таким образом, доступ к данным приёмника можно осуществлять с любого компьютера, подключенного к интернету.

Так как каналы связи должны обеспечивать бесперебойную передачу данных, то наиболее надёжным способом может стать применение выделенных линий связи. На сервере сети БС должен располагаться модем и IP-порт для каждой БС, с которой поступают данные. В связи с тем, что сервер должен постоянно получать «сырые» данные спутниковых измерений одновременно с нескольких БС, применяется сетевой маршрутизатор удалённого доступа. Общая схема обмена данными в этом случае выглядит следующим образом: ровер пользователя передаёт собственные координаты на сервер вычислительного центра в формате NMEA, программное обеспечение центра определяет ближайшую к роверу базовую станцию сети и маршрутизатор передаёт на ровер дифференциальные поправки. Если же рядом с помещением, где находится вычислительный центр, проходят телефонные линии, то появляется возможность использования широкополосного ADSL-модема. В обоих случаях (подключение к интернету и к телефонным линиям) принцип работы программного обеспечения одинаковый.

Поправки RTK и DGPS могут передаваться на ровер либо напрямую от приёмников ГНСС базовых станций, либо с сервера вычислительного центра (что является наиболее предпочтительным) посредством каналов связи, описанных выше (Байков, 2012).

Для передачи на ровер сетевых поправок вида FKP и MAX подходят любые каналы связи, а для передачи поправок вида VRS и i-MAX используются только каналы мобильной связи и модемы.

В настоящее время широко используется способ передачи данных посредством протокола NTRIP, который предназначен специально для передачи ГНСС-измерений через Интернет. В случае использования данного протокола, все данные проходят через единственный IP-порт на сервере. Пользовательские приёмники в данном случае имеют возможность обмена данными только при условии авторизации в системе. Схема обмена данными будет следующая: ровер пользователя обращается к IP-порту на сервер и запрашивает данные от точек подключения, которые являются источниками RTK или DGPS-поправок, если запрашиваемая точка доступна, то данные передаются на ровер, а если нет - из списка выбирается другая точка подключения к данным.

Источники бесперебойного питания

Как правило, подключение осуществляется к электросети переменного тока 220V с использованием AC/DC-адаптера. Помимо основного источника электропитания, базовая станция должна быть снабжена резервным источником, так как отключение электропитания может вывести БС из строя, тем самым подведя исполнителей, работающих в поле.

При аварийном отключении оборудования базовой станции от электросети используется дополнительный источник питания различного типа и ёмкости (чем больше ёмкость резервной батареи, тем более длительное время возможно поддержание оборудования в рабочем состоянии). Как только электропитание из сети снова восстанавливается, ГНСС-приёмники на БС автоматически перезапускаются.

Резервные источники питания могут быть общими для компьютера и приёмника, а могут быть подключены раздельно, второй вариант наиболее надёжен, так как если питание отключится только у компьютера, то ГНСС-приёмник будет и дальше работать в обычном режиме.

В некоторых случаях есть возможность функционирования базовых станций в автономном режиме, в частности, в районах с повышенной солнечной активностью можно осуществлять подключение оборудования БС к солнечным батареям.

Сущность сетевых дифференциальных поправок и способы их передачи

На данный момент есть несколько способов создания сетевых RTK-поправок для передачи их на приёмники пользователей. Сетевые поправки могут быть индивидуального типа и неиндивидуального. Индивидуальные поправки позволяют получать точные координаты ровера с учётом данных о его предварительном пространственном положении (абсолютные координаты, получаемые ГНСС-приёмником в навигационном режиме).

К настоящему времени известно несколько методов представления сетевых поправок:

* FKP (Flachen-Korrektur Parameter)

* VRS (Virtual Reference Station)

* MAX (Master Auxiliary Corrections)

* i-MAX (Individualized MAX)

* SmartRTK

Flachen-Korrektur Parameter (Метод площадных поправок)

Данный метод подразумевает расчёт дифференциальных поправок на площади, охваченной несколькими базовыми станциями, но без учёта предварительного положения ровера. Сервер сети БС рассчитывает данные от одной из базовых станций сети вместе со специальными коэффициентами зависимости погрешностей от расстояния относительно станций, в качестве которых выступают площадные градиенты в плоскостях север-юг и восток-запад. Коэффициенты рассчитываются в вычислительном центре, основываясь на гипотезе линейности характера зависимости погрешностей определения местоположения внутри сети БС от расстояния.

Такой метод создания поправок можно применять лишь в ограниченной области вокруг базовой станции, при этом, не всегда гарантируется высокое качество определения координат положения ровера. Но, несмотря на столь существенный недостаток, метод FKP широко применяется, так как не нуждается в предварительных данных о положении ровера пользователя. Данные передаются в формате RTCM посредством любых каналов связи.

Virtual Reference Station (Виртуальная базовая станция)

Для работы данного метода нужно, чтобы с ровера пользователя предварительно были переданы в вычислительный центр его текущие навигационные координаты. После чего, в центре управления сетью формируются дифференциальные поправки формата RTCM относительно некоторой виртуальной точки в пространстве (виртуальной БС), близкой к месторасположению ровера в данный момент времени. С помощью этих поправок вычисляются точные координаты положения ровера пользователя.

Суть метода заключается в том, что каждый ровер получает сформированные специально для него индивидуальные дифференциальные поправки, используя которые, определяются его точные координаты также, как в случае определения координат по данным одиночной базовой станции.

Метод VRS имеет как достоинства (*), так и недостатки (_):

* Сведение к минимуму погрешности определения координат в режиме RTK, которые зависят от расстояния до базовой станции.

* Возможность работы с одночастотными приёмниками (более дешёвыми), так как можно не волноваться о потере точного решения из-за удалённости базовой станции.

_ При перемещении приёмника от созданной для него VRS, точность определяемых координат падает, что требует выполнения всей процедуры её создания заново.

_ Для создания RTK-поправок относительно VRS используются данные только трёх ПДБС, ближайших к роверу.

Существует также разновидность метода VRS - Pseudo Reference Station (PRS), где виртуальная станция создаётся на заданном расстоянии от текущего положения ровера. Для обмена данными между ровером и БС подходящей является сотовая связь, а вот при передаче информации по радиоканалу методы PRS и VRS не работают.

Метод MAX (Мастер вспомогательного исправления)

Данный метод, основанный на использовании концепции MAC, позволяет использовать сигналы всех ГНСС, включая GPS и ГЛОНАСС. Данные направляются на ровер в форматах RTCM 3.0 и RTCM 3.1.

Сущность метода MAX заключается в том, что сервер вычислительного центра посылает роверу потоки данных, в том числе и «сырые» спутниковые наблюдения и координаты базовой станции сети, которая называется Мастер-станцией. Передаются также разности значений, исправленных после разрешения неоднозначности «сырых» наблюдений и координат других станций сети относительно данных Мастер-станции (все остальные базовые станции называются вспомогательными). Значения поправок вычисляются непосредственно в ровере пользователя (для этого на нём должно быть установлено соответствующее ПО). В приёмнике пользователя восстанавливаются значения исправленных после разрешения неоднозначности «сырых» ГНСС-измерений для всех базовых станций сети и определяются координаты его точного местоположения.

Метод i-MAX (Individualized MAX)

Данный метод используется для поддержки приёмников старого поколения, которые не поддерживают функцию приёма дифференциальных поправок вида MAX в формате RTCM 3.0 и RTCM 3.1. Поправки для пользователя создаются относительно базовых станций сети. Ровер получает индивидуальные поправки с учётом оптимально подобранных станций сети, исходя из их удалённости, качества и объёма спутниковой информации на данный момент. При использовании этого метода поправки могут передаваться в формате RTCM 2.x посредством системы прямой и обратной связи (GSM, CDMA, 3G,4G).

Метод SmartRTK (Комбинированный метод формирования сетевых RTK-поправок)

Суть этого метода заключается в том, что сервер сети ПДБС посылает всю имеющуюся у него информацию, в том числе и «сырые» спутниковые измерения и координаты всех БС. Ровер, получив данные с сервера центра управления, вычисляет сетевые дифференциальные поправки, а также поправки относительно одной из выбранных БС, затем ровер определяет свои координаты путём комбинации полученных решений с максимально эффективным использованием всех спутниковых данных в целях достижения наилучшей точности определения пространственного положения ровера. При этом, ровер может вычислять как сетевые поправки, так и простые - относительно Мастер-станции с самостоятельным моделированием погрешностей, зависящих от расстояния.

Кроме того, данный метод поддерживает версию 3.1 формата RTCM, где поддерживается передача параметров перехода в локальную (местную) систему координат. Таким образом, появляется возможность получения координат в местной системе (например - МСК-64) без предварительного определения и загрузки в приёмник параметров трансформации в МСК из WGS-84.

Сферы приложения сетей референцных станций:

* Сохранение высокоточной координатной основы (локальной, местной, мировой)

* Обеспечение сопровождения строительных работ (особенно при возведении сооружений повышенной этажности и большой протяжённости)

* Топографическая съёмка или создание ПВО для её выполнения, а также поиск и восстановление пунктов ГГС

* Выявление и анализ различного рода смещений и деформаций (применительно к инженерным сооружениям и природным объектам)

* Удалённое управление механизмами, оснащёнными спутниковыми системами автоматического управления (работа на месторождениях, точное земледелие и.т.д.)

* Увеличение эффективности управления различного рода инфраструктурами при интеграции спутниковых приёмников с муниципальными и иными ГИС

* Выполнение кадастровых работ

* Геофизические работы

* Обеспечение точной наземной и воздушной навигации

* Различные задачи локальной навигации: контроль за движением транспортных средств различных служб, такси, грузов, а также отслеживание угнанных автомобилей и других предметов

Если обобщить всё вышесказанное, то можно сказать, что сеть базовых референц-станций используется как инфраструктура для точного позиционирования. Необходимость такой инфраструктуры более всего ощущается там, где требуется создание съёмочного обоснования для проведения геодезических работ, будь то наземное лазерное сканирование, цифровая фотограмметрия или же топографическая съёмка и вынос границ земельных участков, зданий и сооружений.

Кроме того, сети референцных станций могут применяться при проведении работ по лазерному сканированию и цифровой аэрофотосъёмки для целей инженерных изысканий. Дело в том, что для спутниковой корректировки лётного маршрута воздушных судов при проведении воздушного лазерного сканирования и цифровой АФС, необходимо наземной инфраструктуры спутникового позиционирования, а конкретно - сети базовых референц-станций, располагающихся в районе работ. При проведении такого рода работ, производятся как измерения в режиме статики (для измерения координат опознавательных марок), так и кинематические измерения (спутниковые измерения траектории полёта летательного аппарата), в последнем случае обеспечивается точность порядка 10 см.

Некоторые тенденции и прогнозы в развитии инфраструктуры точного позиционирования

В настоящее время ведётся много инновационных разработок в областях, тесно взаимосвязанных со спутниковым позиционированием, а конкретно - ведутся исследования в области быстрой передачи данных. Например, ещё несколько лет назад были предприняты первые шаги к созданию сетей пятого поколения (5G), максимальная скорость передачи данных в которой предполагается на уровне 19 Гб/сек. Запуск сети следующего поколения планируется к 2018-2020 году в Японии. Применение такой технологии позволит мгновенно передавать большие массивы спутниковых и иных данных через Интернет, что значительно ускорит, тем или иным образом, все виды геодезических работ (Тихвинский, 2013, 2014).

Также, относительно недавно (в 2010 году), компанией JAVAD GNSS была предложена технология LightSquared (Джавад, 2011), которая, по мнению её создателей, позволит предоставить более быстрый и дешёвый канал связи для передачи RTK и DGPS-данных. Однако, есть некоторые трудности с реализацией такой технологии, а именно - захват сигнала lightSquared приёмником GPS и отсутствие средств определения и проверки наличия посторонних сигналов в самих приёмниках GPS. Опять же, создатели данной технологии утверждают, что обе эти проблемы решены путём добавления специальных фильтров на входе сигнала в приёмник и добавления в приёмник функции самопроверки и анализа помех (анализ длится около 30 секунд).

Также, в 2014 году, компанией АО «Прин» (geoskynet.com) было анонсировано появление новой технологии передачи поправок - APIS, которая даёт некоторые преимущества перед другими видами передачи дифференциальных поправок: от одной базы может работать неограниченное количество роверов, невысокие затраты на оплату трафика, так как за сутки базовая станция генерирует не более 8-10 Мб трафика, которым может пользоваться неограниченное количество роверов, стабильное будущее метода передачи информации посредством мобильного интернета в связи с активным развитием технологии операторами сотовой связи (сети связи 3G, 3.5G, 4G, 5G) и увеличением зоны покрытия сигнала, отсутствие необходимости получения и оплаты статического IP адреса и.т.д.

Использование сети базовых референц-станций при топографической съёмке и для целей обучения в рамках учебных программ ВУЗов

В связи с тем, что с недавнего времени стало возможной закладка базиса для создания планово-высотного обоснования при производстве топографической съёмки в режиме RTK с использованием сетей референцных станций (в случае с Санкт-Петербургом - это сеть Комитета Градостроительства и Архитектуры), появилась возможность значительно сократить временные и материальные расходы на выполнение топографических и кадастровых работ. Требуется лишь проверить в режиме RTK некоторое количество близлежащих пунктов ГГС (3 плановых и 2 высотных), после чего можно закладывать базис, от которого далее может быть проложен теодолитный ход, или сразу начинать съёмку, если местность на всём участке работ открытая (в области).

Общий порядок создания ПВО в режиме RTK от базовых станций, с учётом требований КГА, выглядит следующим образом:

* Приводим ровер в рабочее состояние

* Производим контрольные измерения в режиме RTK на 4 близлежащих пунктах ГГС

* Закладываем базисы на участке работ, от которых будет прокладываться теодолитный ход (в городе) или непосредственно снимаем пикеты GNSS-приёмником

* Передаём файлы измерений на компьютер

* Выключаем приёмник

К сожалению, многие центры пунктов ГГС в настоящее время имеют весьма значительные расхождения от тех координат, которые даются по ним в выписках и данные спутниковых измерений на них часто не совпадают.

Технологию выполнения статических и кинематических измерений в сетях точного позиционирования можно внедрить в процесс обучения студентов профильных ВУЗов на нескольких этапах: теоретическое ознакомление с материалом на лекциях, на этапе прохождения летней учебной практики, и, наконец во время прохождения производственной практики. Для организации учебного процесса с использованием данной технологии нужна договорённость с ведущими геодезическими фирмами, работающими в данной научно-производственной сфере.

Перед непосредственным проведением полевых работ, необходимо ознакомление студентов со следующими разделами и материалами:

* Составные элементы сети референцных станций (в общем виде)

* Схема функционирования и взаимосвязи элементов сети РС (в общем виде)

* Принципы работы различных методов передачи дифференциальных поправок

* Типовая инструкция по работе с ровером от сети базовых станций

Также возможно первичное ознакомление обучающихся со спецификой работы программ по обработке спутниковых измерений, произведённых в статическом режиме (например, LeicaGeoOffice или Trimble Business Centre).

Соостветственно, в перечень вопросов для подготовки к экзамену по дисциплине «Геодезия» будет добавлено несколько необходимых для изучения разделов.



Глава 3. Анализ технологии полевого кодирования

Полевое кодирование - метод ведения цифрового абриса топографической съёмки, в котором осуществляется автоматизация вычерчивания точечных, линейных и площадных элементов ситуации местности в соответствии с классификатором программы, в которой производится обработка геодезических измерений.

Данный метод появился с тогда, когда стало возможным заносить атрибутивную информацию в дополнительную кодовую строку электронного тахеометра, т.е. в середине 1990-х годов. Таким образом, устанавливается связь между информацией об объекте, записанной в строку кода и его описанием в классификаторе программы, в которой будет осуществляться обработка. Коды в классификаторе могут иметь различный формат записи. В современных версиях программ для обработки измерений имеется возможность редактирования классификатора распознаваемых кодов в соответствии с пожеланиями пользователя, в старых версиях такой возможности не предусмотрено.

В общем виде, процесс съёмки с применением метода полевого кодирования выглядит следующим образом:

* Исполнитель присваивает снимаемым пикетам коды, прописанные в классификаторе программы, в которой он будет обрабатывать измерения (это могут быть как буквенные, так и цифровые обозначения: фонарный столб - FS или 113), вбивая их в соответствующую кодовую строку тахеометра

* По окончании съёмки измерения импортируются в программу для их обработки

* Программа распознаёт присвоенные пикетным точкам коды на основе своего классификатора

* В графическом окне отображаются топографические объекты (например, пикет с кодом FS превращается в условный знак фонарного столба)

Атрибутивная информация, записанная в строку кода может иметь сложный характер и иметь в своём составе не только описание объекта, но и различные команды, на основе которых можно автоматически начертить объекты со сложной геометрией или задать отношение снятого пикета к рельефу и тип его координат.

Кроме того, в качестве графических примитивов, в которые превращается распознанный программой код, можно использовать не только условные знаки для топографических планов, но и любые другие (например, типовые объекты, которые можно зафиксировать в процессе археологических раскопок). Таким образом, метод полевого кодирования может применяться при производстве тех видов работ, где есть какая-либо совокупность типовых объектов, подлежащих съёмке (Середович, 2005).

При кодировании линейных объектов, необходимо задавать команды начала и конца линии, а в случае с площадными объектами - команду замыкания контура и характер его заливки. При этом не должен нарушаться порядок следования пикетов в пределах одной команды.

Примеры:

* Снято 4 пикета, которым присвоены коды - N DZB 014, N DZB, N DZB, N DZB 015, в данном случае N - пикет не рельефный (т.е. программа не будет его учитывать при построении ЦМР), DZB - линейный условный знак деревянного забора на бетонном основании, 014 - команда начала линии, 015 - команда окончания линии. Программа соединит эти 4 точки линейным условным знаком деревянного забора на бетонном основании и исключит высоты этих точек при построении рельефной модели.

* Снято 3 пикета с кодами - N 2KN SQ, N 2KN SQ, R 2KN SQ. В данном случае N (R) - принадлежность пикета к рельефу, 2KN - площадной условный знак капитального двухэтажного здания, SQ - команда для построения прямоугольника по 3 точкам. Программа построит условный знак капитального нежилого двухэтажного здания с соответствующей подписью в середине, имеющего прямоугольную форму, причём, последний пикет уже будет участвовать в построении ЦМР.

Как видно из примеров, распознаваемая кодовая строка может иметь любой формат записи (при условии, что этот формат прописан в классификаторе программы). В этом случае, фантазия может быть ограничена только количеством символов, которые можно вбить в кодовую строку электронного тахеометра.

Хорошим примером может послужить связка CredoDAT - CredoТОПОПЛАН, где реализована возможность работы с кодировкой разного вида (стандартная и компактная) и уровня подробности. Однако, в данной связке отсутствует возможность корректного экспорта результатов отрисовки по полевым кодам в другие программы (AutoCAD, MapInfo и.т.д.).

Рис.14. Простейшая реализация метода полевого кодирования.

На рис.14 показана элементарная реализация метода полевого кодирования в программе CredoDAT 3.0: слева - файл измерений в координатах (формат - №,X,Y,Z,Код), в середине - файл измерений, импортированный в программу (коды ещё не распознаны), справа - измерения, прошедшие процесс предобработки (программа распознала присвоенные пикетам базовые коды и присвоила каждой точке соответствующий графический примитив).

В ходе прохождения производственной практики был произведён эксперимент*, в результате которого выявлено оптимальное соотношение использования того или иного метода ведения абриса:

* При съёмке большого количества однотипных объектов (крышек колодцев, столбов, поребриков, ограждений, контуров растительности и.т.д.) целесообразно применение метода полевого кодирования. Важно, чтобы используемых в ходе съёмки кодов было столько, сколько исполнитель может удержать у себя в голове и быстро вводить, не обращаясь к «шпаргалкам» (обычно их количество не превышает 6-7).

* Для всех остальных объектов топографической съёмки удобно использовать условную кодировку (то есть, делать съёмку «с примечаниями»). Каждому пикету присваивается максимально краткое описание, понятное исполнителю и содержащее информацию о характеристиках снимаемого объекта (BET600 - бетонная труба, диаметром 600 мм, GRPH - газораспределительный щит, О - отметка поверхности, DV+3.32(1.16) - домер до двери от края здания и ширина дверного проёма, DZB/MZ/DZ - пересечение в одной точке трёх видов ограждений: деревянного забора на бетонном основании, металлического забора и деревянного забора).

* На участках малой площади, с большой плотностью разнотипных объектов и многочисленными прокладками коммуникаций (как подземных, так и надземных), во избежание путаницы и большого количества ошибок, самым практичным будет ведение классического бумажного абриса, особенно в местах, где необходимо дать развёрнутую характеристику снимаемых объектов (например, когда снимаемому пикету нужно дать сразу 5 характеристик - назначение трубы, её диаметр, материал, давление и наименование организации, эксплуатирующей данный вид коммуникации).

Как правило, вышеперечисленные методы используются в приблизительном соотношении 4:5:1, из чего следует, что частичное использование метода полевого кодирования позволяет значительно ускорить процесс камеральной обработки без каких-либо временных потерь во время проведения полевых измерений. Очень часто получается полностью исключить ведение бумажного абриса.

Стоит отметить, что при съёмке только лишь методом полевого кодирования, время проведения полевых работ значительно увеличивается ввиду того, что исполнителю приходится держать при себе длинный список базовых программных кодов. Однако, ещё больше времени будет затрачено на полевые и камеральные работы, если заменить метод полевого кодирования и съёмку с примечаниями на традиционную процедуру рисования абриса на бумаге с каждой станции, так как необходимо внимательно следить за нумерацией пикетов и попутно зарисовывать ситуацию (слишком много действий, которые вкупе сильно замедляют процесс съёмки). К тому же, даже самый аккуратный и подробный абрис всё равно придётся перечерчивать ещё раз в электронном виде, причём, последовательное соединение пикетов по их номерам займёт гораздо больше времени в сравнение с обработкой результатов съёмки «с примечаниями».

Из сказанного выше можно сделать вывод, что использование каждого метода по отдельности даёт худший результат в сравнение с использованием их комбинаций.

Сравнение метода полевого кодирования с другими методами ведения абриса приведено в таблице 4.

* Сущность проведённого эксперимента заключалась в следующем: было выбрано 6 участков приблизительно одинаковой площади (~0.25 га) и степени насыщенности съёмочными пикетами, три из которых необходимо было отснять тремя различными способами (с использованием только полевого кодирования, съёмка с ведением бумажного абриса и съёмка с примечаниями, т.е. с ведением цифрового абриса), а четвёртый и последующие участки были отсняты с помощью различных комбинаций вышеперечисленных способов с целью установления их оптимального соотношения. Было измерено время, затрачиваемое на полевые работы и на камеральную обработку данных полевых измерений (уравнивание линейно-угловых величин, вычерчивание ситуации и построение горизонталей). Съёмка велась способом «в углах» от базисов, заложенных посредством RTK-измерений от базовых станций Санкт-Петербурга.

Результаты эксперимента:

* В случае, когда съёмка выполнялась традиционным способом, с ведением абриса на бумаге, было затрачено около 2.5 часов (1.5 часа на полевые работы и 1 час на камеральную обработку). Данные значения были получены не только на основании собственного опыта съёмки ведением абриса на бумаге, но и по данным опроса коллег, занимающихся топографо-геодезическими работами более 5 лет. Существенные временные потери связаны, прежде всего, с необходимостью прерываться на каждой станции для отрисовки ситуации в условных знаках и проверять нумерацию снятых пикетов. К тому же, данный способ невозможно применять в пасмурную погоду.

В процессе камеральной обработки много лишнего времени уходит на сравнение ситуации на абрисе и на экране компьютера. Однако, на сложных участках съёмки и плотным расположением пикетов, отрисовка ситуации идёт быстрее. Кроме того, качественно нарисованный бумажный абрис можно передать в камеральный отдел, где присутствие исполнителя при вычерчивании топографического плана не потребуется.

* Если съёмка выполняется с использованием примечаний в строке кода электронного тахеометра, то исполнителю не приходится тратить время на отрисовку абриса на бумаге, нужно лишь назвать условный код снимаемого объекта, состоящего, обычно не более чем из 3-4 символов. Однако, при передаче материалов съёмки с примечаниями в камеральный отдел, в процессе отрисовки могут возникнуть некоторые вопросы содержательного характера, поэтому, данные съёмки желательно сопровождать фотографиями.

Времени было затрачено существенно меньше по сравнению с предыдущим способом (1 час 40 минут, из которых 1 час затрачен на полевые работы).

* При использовании метода полевого кодирования значительно сокращается время на отрисовку ситуации, так как она вычерчивается автоматически по заданным в процессе съёмки кодам. Но на полевые работы времени уходит сравнительно больше, так как коды и команды, записанные в классификаторе программы для обработки, имеют большее число символов по сравнению с пользовательской кодировкой. В итоге, полевые работы заняли 1.5 часа, а камеральные - 30 минут.

* В процессе съёмки оставшихся 3 участков было установлено оптимальное соотношение использования трёх вышеперечисленных способов. Временные затраты оказались несколько ниже - около 50 минут на полевые работы и 30 минут на камеральную обработку и вычерчивание.

Таблица 4. Сравнение способов ведения абриса топографической съёмки.

Метод полевого кодирования реализуется в таких программных продуктах как CredoDAT, TopoCAD, RGS и другие. Однако, в случае с CredoDAT, данный метод работает не совсем корректно (на данный момент, это актуально не только для версии 3.х, но и для новых версий). Например, часть прописанных в «Руководстве пользователя» программных команд, таких как замыкание линий и отрисовка прямоугольника по трём точкам - не работают (это можно увидеть на рис.14). Помимо этого, при экспорте в формат *.dxf, вычерченные программой по полевым кодам графические примитивы отображаются не в виде блока, а в виде внешней ссылки на файл. Корректная работа с кодировкой обеспечивается только в связке CredoDAT-CredoТОПОПЛАН, при использовании других программ, использование данного метода превращается в «сизифов труд».

Некоторые недостатки, приведённые в таблице 4, можно исправить путём разработки LISP-приложений или сторонних программ, с помощью которых возможно будет осуществить, например, автоматическую замену блоков без свойств при импорте данных из CredoDAT в AutoCAD на блоки с нужными свойствами или составить новый классификатор базовых кодов для CredoDAT, тем самым переведя метод съёмки с примечаниями в разряд полевого кодирования. Можно также написать приложение, которое обеспечит автоматическую отрисовку блоков по кодам в самой САПР.

Таким образом, подобрав наиболее выгодную комбинацию способов ведения абриса и воспользовавшись возможностью создания программ на языке AutoLISP, можно ускорить работу в несколько раз.

Применение метода полевого кодирования в процессе учебной практики студентов.

В летней учебной практике по топографии метод полевого кодирования может применяться как один из трёх способов ведения абриса топографической съёмки. Однако, в условиях сильной ограниченности во времени проведения практики, использование данного метода в полном объёме представляется весьма затруднительным. Однако, общее практическое ознакомление с основными элементами полевого кодирования может оказаться полезным и вписаться в существующие временные рамки проведения практики.

У студентов должно сформироваться понимание, в каких случаях целесообразно использовать тот или иной способ ведения абриса, и какое их соотношение приводит к наиболее быстрому и качественному результату.

Студентам может быть предложено задание следующего вида: снять 4 небольших участка, используя три способа ведения абриса - на бумаге, цифровой абрис (условная кодировка пикетов) и метод полевого кодирования. А на четвёртом участке использовать комбинацию этих трёх способов. Необходимо сравнить временные затраты на съёмку в поле и камеральную работу, полученные результаты зафиксировать в отчёте.



Глава 4. Съёмка и обследование смотровых колодцев подземных коммуникаций

Современные жилые и промышленные территории пронизаны густой сетью подземных коммуникаций различного размера и назначения и представляют собой сложную, разветвлённую систему. Методы застройки городов подразумевают комплексное размещение подземных коммуникационных систем внутри проектируемого микрорайона. Коммуникации различного назначения располагаются на установленных нормами глубинах залегания. Помимо установленных глубин залегания, требованиями нормативных документов предусмотрено строгое соблюдение минимального расстояния между разными видами коммуникаций (Курошев, 1999).

К каждому жилому дому подводится минимум девять видов подземных коммуникаций:

* Водопровод

* Канализация (хозяйственная и ливневая)

* Электрокабели

* Телефонные кабели

* Дренаж фундамента

* Газопровод

* Теплотрасса

* Проводная радиовещательная сеть (а также кабели ГО и ЧС)

Помимо вышеперечисленных видов, в настоящее время прокладываются также оптоволоконные кабели для обеспечения широкополосного доступа в Интернет. Кроме того, на промышленных объектах могут быть проложены сети специального назначения (мазутопроводы, золопроводы, воздухопроводы, паропроводы, нефтепроводы, бензопроводы, кабели управления автоматизированными системами, сигнальные кабели, блочная сигнализация для высоковольтных кабельных прокладок и.т.д.). В связи с этим, при производстве топографической съёмки важно понимать тесную взаимосвязь между сооружением того или иного типа и системой коммуникаций, которые должны быть к нему подведены. Также важно представлять себе принцип функционирования коммуникационных сетей различного назначения.

Подземные коммуникации подразделяются на 3 основные группы (Курошев, 1999):

* Трубопроводы

* Кабельные прокладки

* Коммуникации особого типа

Трубопроводы могут подразделяться на следующие типы (Куликова, 2001):

* Самотёчные (водосток, дренаж, канализация)

* Напорные (водопровод, газопровод, тепловые сети, напорная канализация)

Также, трубопроводы подземных сетей могут подразделяться на (Куликова, 2001):

* Транзитные сети (для обслуживания города, отдельного района или промышленного предприятия, имеют самые большие диаметры сечений)

* Разводящие сети (для обслуживания кварталов или нескольких домов)

* Внутриквартальные сети (для обслуживания отдельных зданий)

Кабельные сети могут подразделяться на (Куликова, 2001):

* Сети сильных токов различного напряжения (для освещения улиц и работы электротранспорта)

* Слаботочные сети (телефонные сети, сети радиовещания)

Коммуникационные сети могут также подразделяться по принципу размещения в условиях городской застройки (Куликова, 2001):

* На полосе между красной линией и линией городской застройки (там располагаются силовые кабели и кабели связи). Красная линия отделяет общественные территории от земельных участков, застраиваемых частными лицами.

* Под тротуарами (там могут располагаться проходные коллекторы и тепловые сети, силовые кабели, кабели связи)

* Под проезжими частями улиц и дорог (водоснабжение, газоснабжение, канализация)

По существующим правилам, подземные коммуникации проектируются с соблюдением минимальных расстояний от различного рода сооружений и, как уже было сказано выше, между собой:

* Коммуникации должны располагаться не ближе 2-3 метров от фундамента, исключая кабели, которые могут располагаться не менее чем 0.5 метра от фундамента

* Минимальное расстояние между различного рода коммуникациями должно составлять не менее 0.5-1 метра, а между прокладками газопроводов высокого давления - не менее 4-5 метров.

Касаясь непосредственно съёмки подземных коммуникаций, нужно отметить, что точность съёмки коммуникационных сетей приблизительно соответствует точности съёмки ситуации местности: на территориях с застройкой - СКП положения коммуникаций между собой и по отношению к фундаментам зданий должна быть не более 10-15 см, а на незастроенной территории - до 50 см. Съемка подземных коммуникаций производится на вновь созданной или уже имеющейся планово-высотной геодезической основе. Все коммуникации, нанесённые на топографический план должны быть в обязательном порядке согласованы с ведомственными организациями, в чьём ведении находятся те или иные виды коммуникаций (Курошев, 1999):.

Планово-высотная съемка подземных коммуникаций включает следующие работы (ГКИНП-35):

* Съемка выходов подземных коммуникаций (смотровых колодцев, коверов, труб)

* Съемка сетей, выявленных с помощью трубокабелеискателей (трассоискателей)

* Съемка элементов подземных коммуникаций в шурфах

Технологическая цепочка работ по выполнению съёмки существующих подземных коммуникаций зависит от особенностей объекта, пригодности и актуальности ранее составленных топографических планов, а также от других факторов.

Работы по съёмке подземных коммуникаций наиболее часто проводят в следующем порядке:

* Создают планово-высотное съёмочное обоснование на территорию работ, либо используют уже созданное

* Производят съёмку ситуации и рельефа, а также всех видов коммуникационных сетей, выходящих на поверхность, включая точки их подключения к зданиям и сооружениям

* Составляют предварительную схему размещения сетей, используя материалы исполнительных съёмок и данные эксплуатирующих организаций

* Выполняют рекогносцировку участка местности, производят обследование смотровых колодцев подземных коммуникаций, а также дают промеры до труб и доньев

* Уточняют схему сетей, используя материалы обследования, и определяют места для работы с трассопоисковым оборудованием

* Производят поиск и съёмку недостающих, зарытых под землю коммуникаций с помощью трассоискателя

* Составляют схему подземных коммуникационных сетей по материалам их обследования, поиска и съёмки

* Согласовывают получившуюся схему с организациями, эксплуатирующими каждый вид коммуникаций

Съёмка и мониторинг подземных коммуникаций производится с применением следующих технологий:

* Съёмка с использованием трассопоискового оборудования

* Георадарная съёмка и глубинное сканирование

* Съёмка с использованием акустического профилографа

* Съёмка с использованием многолучевого эхолота или гидролокатора

* Комбинация всего вышеперечисленного с тахеометрической съёмкой и использованием GNSS-оборудования геодезического класса точности

Определение глубины заложения подземных коммуникаций в зарытом виде при помощи трассоискателя производится дважды, с расхождением не более 15% от результатов контрольно-исполнительной съёмки.

В некоторых случаях используется метод шурфования (на основе проектной документации, с большой осторожностью выкапывается яма определённой глубины, внутри которой последовательно выявляются все трубопроводы и кабели).

Работа с трассоискателем производится в двух режимах:

* Активный режим (определение местоположения и глубины залегания коммуникаций с использованием внешнего генератора переменного тока).

* Пассивный режим (определение местоположения и глубины залегания подземных коммуникаций, по которым протекает электрический ток, например, силовых кабелей и трубопроводов, находящихся под напряжением электрохимической защиты).

Максимальная напряжённость магнитного поля, измеренного по поверхности земли соответствует оси искомой коммуникации.

В случаях, когда отсутствует возможность прямого подключения клещей к трубе (кабелю), расположение оси которой нужно отследить, применяется индуктивный режим работы генератора переменного тока. В основе этого метода лежит наличие электромагнитного поля вдоль проводника с током. Соединение устанавливается посредством встроенной и направленной антенн передатчика генератора и искомой коммуникации. В этом случае достаточно установить генератор на поверхности над искомым объектом. Достоверность результатов обследования зависит от правильного подключения трассопоискового генератора.

Для поиска подземных коммуникаций также пользуются георадаром. В зависимости от применяемого антенного блока глубина зондирования обычно устанавливается от 1 до 30 м., при этом разрешающая способность колеблется от 0.01 до 0.50 м. При использовании данной технологии возникают некоторые ограничения, связанные с глубиной залегания трубопровода, диаметром, типом грунта и частотой зондирующего импульса. Возможно достаточно чётко идентифицировать подземные коммуникации только на относительно небольшой глубине, увеличение же глубины проникновения сигнала связано со значительными затратами энергии на малых частотах.

Однако, индуктивный метод не обеспечивает высокой достоверности и избирательности определения положения трубопроводов. К тому же, применение как индуктивного, так и традиционного методов невозможно для поиска неметаллических коммуникаций (пластиковые и керамические трубы).

В настоящее время предлагается несколько решений возникшей задачи:

* Применение традиционного электромагнитного метода, но с помещением в трубопровод передатчика сигнала, который будет отслеживать приёмник на поверхности.

* Использование акустических трассоискателей, принцип работы которых заключается в контроле над акустическими шумами, создаваемыми в трубопроводе за счёт механического воздействия на него (создание вибраций). Контроль основан на зависимости распространения акустических колебаний от механических и физических свойств среды.

* Применение радиационного метода, где в трубопровод помещается источник активного г-излучения, которое фиксируется на поверхности при помощи оборудования по обнаружению сигнала от изотопа. Данный метод не применяется из-за опасности получения дозы радиоактивного облучения, так как используемые изотопы должны обладать повышенной интенсивностью.

* Экспериментальный метод, основанный на регистрации резонансной частоты.

В настоящее время самым быстрым способом координирования зарытых под землю прокладок коммуникаций является использование комбинации трассопоискового оборудования с ГНСС-приёмником и другими наземными измерительными средствами (от лазерной рулетки до электронного тахеометра). Кроме того, на данные момент существуют способы, позволяющие непосредственно во время съёмки записывать на электронный носитель вместе с координатами различную атрибутивную информацию (глубину залегания, силу тока).

...