Геодезические работы

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

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

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

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

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

В ГИС используются различные аналитические операции: расчет и построение буферных зон, анализ сетей, генерализация, цифровое моделирование и др.

Развитие автоматизированных методов обработки пространственной информации привело к появлению нового направления в моделировании – цифрового моделирования. Основными элементами цифрового моделирования являются: цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель местности (ЦММ), цифровая модель объекта (ЦМО).

Цифровые модели широко используются в ГИС, САПР и АСУ.

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

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

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

- ввод и вывод информации;

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

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

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

- совместный анализ графической и тематической информации, позволяющий выявлять связи и закономерности между объектами и явлениями, динамику развития тех или иных процессов.

Основной целью создания ГИС железнодорожного и автомобильного транспорта является обеспечение всех сфер его деятельности комплексной пространственно-координированной информацией.

Мощные инструментальные оболочки ГИС позволяют интегрировать в себя любые базы данных и существующие автоматизированные системы инвентаризации, проектирования и управления. В свою очередь,информация, полученная в результате работы ГИС, с успехом используется в автоматизированных системах инвентаризации (паспортизации), САПР и АСУ.

4.2 Современные методы  топографических съемок

автомобильных и железных дорог

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

К таким методам можно отнести съемки с помощью:

- спутниковых радионавигационных систем (СРНС);

- лазерных сканеров;

- комплексных систем;

- электронных тахеометров;

- объединенных систем.

4.2.1 Спутниковые радионавигационные  системы

В настоящее время в геодезии, где требуется знание положения объектов в пространстве, широко применяются спутниковые радионавигационные системы (СРНС). К ним относятся глобальная система NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System – США) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система – Россия). Странами Европы ведутся разработки по созданию еще одной подобной системы Galileo.

Спутниковая система NAVSTAR GPS (или кратко – GPS) сейчас является наиболее распространенной и широко используемой. Система состоит из трех секторов: это космический сектор, наземный сектор управления и сектор пользователей.

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

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

Наземный сектор управления выполняет определение параметров орбит и ошибок часов спутников, закладку навигационной информации на спутники и контроль функционирования технических средств системы. В состав сектора входят главная контрольная станция, станции слежения, управляющие станции.

Сектор пользователей представляет собой множество технических средств, находящихся на поверхности Земли, в воздухе или околоземном космическом пространстве и выполняющих прием информации со спутников для измерения параметров, которые связывают положение аппаратуры пользователя с расположением спутников. В результате обработки измеренных параметров получают координаты приемника пользователя, а при необходимости, и скорость его движения.

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

Таблица 4.1 – Параметры СРНС

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

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

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

Рисунок 4.1 – Пример установки датчика	Рисунок 4.2 – Контроллер

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

4.2.2 Съемка с помощью  лазерных сканеров

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

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

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

- полное поле зрения;

- точный двухосевой компенсатор наклона;

- точное измерение каждого импульса;

- большой диапазон измеряемых расстояний.

 

 

Рисунок 4.3 – Сканеры ScanStation, HDS6000

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

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

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

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

4.2.3 Съемка с помощью  комплексных систем

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

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

 

Рисунок 4.4 – Система LEICA TMS

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

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