Введение 4.1 Актуальность понятий "масштаб" и "графическая точность" цифрового топографического плана... 63

Введение
4.1 Актуальность понятий "масштаб" и "графическая точность" цифрового
топографического плана... 63
4.2 Анализ нормативно-технической документации на предмет регламентирования съемки
масштаба 1:200... 64
4.3 Расчет требуемой точности съемочного обоснования, создаваемого для
топографических съемок застроенных
67
территорий масштаба 1:200...
4.4 Расчет точности линейных измерений... 74
4.5 Расчет точность угловых измерений... 76
4.6 Контроль полученного решения... 77
Заключение... 85
Список литературы 89
Введение
Модели местности в виде различных планов и карт вот уже несколько тысячелетий имеют
исключительно важное значение в жизни людей. Теперь, с помощью спутниковых
технологий, мы имеем возможность получать карты даже тех уголков нашей планеты, где
никогда не ступала нога человека.
Однако, пожалуй, особо важное значение для повседневной деятельности человека имеют
топографические планы застроенных территорий. Проектирование и строительство, а
также реконструкция в городах невозможны без выполнения крупномасштабных
топографических съемок.
В городах постоянно расширяются водопроводные, канализационные, теплофикационные
и электрические сети. Строится большое количество зданий социально бытового и
культурного назначения, причем форма этих зданий в последнее время ограничивается
лишь фантазией архитекторов. Все эти работы требуют специальных геодезических
съемок.
Топографические планы необходимы на каждом этапе проектирования и строительства
любых инженерных сооружений, включая обновление топографического материала на
данный район с целью нанесения вновь построенных зданий и сооружений, а также
информации о новых подземных коммуникациях.
В зависимости от назначения топографические планы подразделяются на основные и
специализированные.
Основные крупномасштабные планы составляются в полном соответствии с инструкцией
по топографическим съемкам в крупных масштабах, с изображением всех контуров и
объектов местности, в соответствии с действующими Условными знаками.
Специализированные топографические планы выполняются для технологической
характеристики отдельных видов коммуникаций и сооружений. На них применяются свои
дополнительные условные знаки, съемка производится с учетом технических требований
ведомственных
инструкций и наставлений по топографо-геодезическим работам, строительных норм и
правил (СНиП) и других нормативных документов.
Каждый вид специализированных съемок для целей конкретного заказчика имеет свои
особенности. Поэтому для определения требований, в первую очередь, необходимо
выявить основных потребителей крупномасштабных топографических планов
застроенных территорий. Проследим основных потребителей топографической
информации в крупных городах, например, Москве. Съемку территории с нанесением на
план подземных коммуникаций в Москве выполняет ГУЛ Мосгоргеотрест. Основными
его заказчиками являются:
ГУЛ "Мосжелдорпроект", который выполняет проектирование под строительство
подъездных железнодорожных путей.
МГУП "Мосводоканал", в частности управление "Антикор", выполняющее
проектирование электрозащиты от коррозии водопроводных сетей.
МосжилНИИпроект, для которого Мосгоргеотрест выполняет съемку под генпланы
проектируемых жилых зданий.
Моспроект, который занимается проектированием зданий и сооружений.
ГУЛ ГлавАПУ Москомархитектура заказывает съемку для последующего
благоустройства дворовых территорий.
Кроме таких крупных организаций заказчиками Мосгоргеотреста являются:
ГУЛ Дирекция единого заказчика различных районов города, которые заказывают, в
основном, съемку для благоустройства дворовых территорий.
ОАО "Теплосети" филиал ОАО "Мосэнерго" заказывает съемку под проектирование и
прокладку теплосетей.
ООО "Каналстрой", занимающееся строительством канализаций.
А также различные организации, занимающиеся строительством жилых и нежилых
зданий и сооружений.
Таким образом, подавляющее большинство заказов крупномасштабных топографических
съемок выполняется для целей проектирования и строительства различных
промышленных, транспортных, жилых сооружений и зданий, различных коммуникаций
(канализация, электросети, водопровод и т.п.)
Сегодня этим потребителям особенно необходима высокая точность, поэтому в крупных
городах-мегаполисах Москве, Санкт-Петербурге и подобных, заказчикам, как правило,
требуются планы масштаба 1:500, а в последнее время возросло число заказов и на съемку
масштаба 1:200.
На данный момент съемки масштаба 1:500 регламентируются инструкцией [1] 1982 года.
На момент написания этого документа не существовало таких средств измерения, как
GPS, лазерные сканеры наземного и авиационного базирования, а также современные
электронные тахеометры. А съемки масштаба 1:200 и вовсе не регламентируется, о чем
будет сказано далее.
Поэтому возникает необходимость:
-рассмотреть существующие методы создания крупномасштабных топографических
планов застроенных территорий с использованием современных электронных приборов и
средства обработки результатов измерений, т.к. обработка измерений с помощью
специального программного обеспечения (ПО) является неотъемлемой частью процесса
создания цифровой модели местности (ЦММ).
— Выделив из общего числа наиболее перспективные методы, подвергнуть анализу
требования основных нормативных документов, предъявляемые к ним. А также
произвести расчеты с целью определения возможности изменения требований при
использовании современных приборов. Это дает возможность усовершенствования
процесса топографических съемок масштаба 1:500.
-Определить требуемую точность построения съемочного обоснования и требований к
точности съемки масштаба 1:200. В соответствии с этими задачами и построено
содержание диссертации.
- В первой главе рассмотрены существующие методы крупномасштабных
топографических съемок, перспективы развития этих методов с использованием
современных и инновационных приборов. На основании проведенного анализа очевидно,
что наиболее подходящим для создания крупномасштабных топографических планов
застроенных территорий является тахеометрия. Подробно описан этот (тахеометрический)
метод съемки с использованием электронных тахеометров и других современных
приборов как наиболее маневренный, оперативный и экономически эффективный при
съемке застроенных территорий:
— Во второй главе рассмотрено программное обеспечение для работы с. графическими
данными в топографии как неотъемлемая часть процесса создания современных
топографических планов в цифровом виде.
- В третьей главе производится анализ нормативно-технической документации по
крупномасштабным топографическим съемкам, в частности, те пункты, которые
регламентируют тахеометрический метод.-Рассматривается возможность изменения
требований инструкции при. использовании современных приборов, производятся
соответствующие расчеты, подтверждающие такую возможность. Все это направлено на
совершенствование процесса крупномасштабных топографических съемок застроенных
территорий.
— В четвертой главе ставится вопрос о точности создания топографических планов
застроенных территорий масштаба 1:200. На основе выполненного ранее анализа
показывается, что съемки масштаба 1:200 не регламентируются в нормативной
документации. Производится расчет требуемой точности выполнения съемки масштаба
1:200, исходя из полученных величин, выполняется расчет точности построения
съемочного обоснования. Затем по другим, специально выведенным, формулам
производится проверка полученных ранее результатов, характеризующих точность
построения съемочного обоснования. Производятся вычисления требуемой точности
определения длин линий и углов в ходах съемочного обоснования.
1 Анализ существующих методов создания крупномасштабных топографических планов
Как уже отмечалось раньше, за последние годы появились новые приборы; предпочтение
все больше отдается цифровым моделям местности как оригиналам результатов
топографических съемок. В связи с этим изменились приоритеты в использовании
различных методов топографических съемок.
Поэтому, прежде чем приступить к анализу нормативно-технических документов,
необходимо рассмотреть основные методы создания топографических планов и
определить из общего числа те, которые наиболее предпочтительны для выполнения
топографических съемок застроенных территорий масштабов 1:500 и 1:200, а затем
проанализировать нормативно-технические документы в тех положениях, которые
регламентируют ранее определенные методы съемок.
1.1 Стереотопографический метод съемки
Аэрофототопографические методы крупномасштабной
топографической съемки являются достаточно сложными и длительными в исполнении, а
также весьма дорогостоящими. В условиях застроенной территории работу значительно
усложняют повышенные требования к точности выполнения процессов на всех этапах
съемки. Кроме того, целесообразность и эффективность аэрофотосъемки зависит от
времени года. Известно, что при средней ширине проездов 22м кроны деревьев на
городских проездах закрывают 40 - 80% площади. На 1км городского проезда в среднем
имеется 45 люков, решеток, вводов, из которых от 15 до 30 закрыты кронами деревьев.
Кроны деревьев закрывают также примерно 25% контуров застроенной территории [2].
Топографические планы застроенных территорий требуют постоянного обновления, в
любое время года, в т.ч. и летом. Кроме того, крупномасштабную топографическую
съемку (например, в масштабах 1:500 и 1:200), как правило, требуется выполнять на
небольшую территорию (отдельная часть города, промышленное предприятие и т. п.),
что, наряду с вышеозначенными факторами, делает применение
аэрофототопографических методов во многих случаях экономически неэффективным.
Остановимся на новом направлении развития фотограмметрических работ аэрофототопографической съемке с использованием специальных цифровых
аэрофотосъемочных камер.
Например, российское НТЦ Радар изготавливает цифровые аэрофотоаппараты
универсального назначения «4/90» (рис. 1.1) и «6/90».
Цифровой матричный топографический лэрофотолпппрлтуниверсального назначения
Иготамшм ЮЦ -РАДИ*
! зисфбыотор оонгамн "СвЕТ Konhmoi врс'
Рис 1.1
Кадровые многоматричные аэрофотоаппараты предназначены для выполнения всех видов
фотограмметрических работ, ориентированных на создание и обновление
топографических и специальных карт и планов городов масштабов 1:500 - 1:50 000.
Основной принцип камеры базируется на использовании распространенных и доступных
ПЗС матриц, объединенных в единую координатную систему с единым центром
перспективы.
«4/90» рис. 1.2 В модуле находятся 4 объектива, которые отвечают за съемку четырех
каналов цветного изображения. За объективами находятся 4 ПЗС матрицы,
обеспечивающие базовую геометрию выходного изображения.
По заявлениям производителя, камера на высоте полета 7 км обеспечивает разрешение на
местности 30 см, при скорости полета самолета-носителя до 900 км/час. При этом
обеспечивается съемка полосы шириной 3 км. Однако съемку можно выполнять и с
меньшей высоты, максимальная
10
-V
точность обеспечивается при высоте съемки - 1,5 км и составляет 5 см на местности.
рис. 1.3 Изображения с ПЗС матриц накладываются с перекрытием и программно
сшиваются. Объективы "срабатывают" с задержкой 1-2 миллисекунды (в зависимости от
скорости полета, что обеспечивает съемку из одной точки всех частей выходного
изображения. Такой подход обеспечивает получение детального изображения с большим
захватом и хорошей геометрией без дорогостоящего оборудования и трудоемких
математических преобразований.
Аэрофотоаппараты обладают уникальной в своем классе производительностью выходное изображение формируется со скоростью до 200 Мбайт/с, при этом
обеспечивается возможность работы с перекрытием 60-90 % в полосе 0,9 высоты полета
при скорости носителя до -900 км/ч. Артефакты движения носителя компенсируются
автоматически.
Модуль обработки и хранения - "сердце" и "мозг" цифровой камеры. Два процессора
Intel® Xenon® трудятся над мгновенной обработкой получаемых изображений. Для
накопления информации, а именно цифровых аэрофотоснимков, используются жесткие
диски большой емкости, на которых хранятся как исходные необработанные изображения,
так и снимки, прошедшие постобработку. Причем процесс обработки может проходить
целиком на борту, а может продолжиться на Земле.
Предусмотрена возможность модернизации и расширения всей
системы.___________________
Важной особенностью цифровой аэрофотокамеры является то, что система в
автоматическом режиме может монтировать выполненные снимки в единую полосу
непосредственно в полете. Кроме того, оригиналы снимков сохраняются отдельно и могут
быть смонтированы, вручную, в режиме постобработки. Важно отметить преимущество
данной системы - ее оперативность. Потому что информация, полученная этим способом,
может быть доступна непосредственно во время аэрофотосъемки. В этом случае может
быть налажен канал высокоскоростной передачи данных с самолета на Землю. Если же по
какой-либо причине это невозможно, данные съемки
11
могут быть получены сразу после посадки самолета, причем в виде позитивного
смонтированного изображения.
Кроме того, важно отметить, что в цифровой фотографии не существует понятия
оригинала, поскольку "копии", полученные с "цифрового оригинала", будут полностью
соответствовать ему по точности, подробности и всем остальным параметрам, также
важно, что теоретически, такие снимки могут храниться вечно. Поэтому по каналам
высокоскоростной передачи данных, например: internet, цифровые аэрофотоснимки могут
быть отправлены сразу нескольким различным потребителям, заинтересованным в
получении этой информации. И это может быть сделано без какой-либо обработки
изображений на Земле.
Стоимость подобных устройств намного ниже стоимости лазерных локаторов
авиационного базирования.
При использовании имеющихся на данный момент цифровых камер могут быть созданы
планы масштаба до 1:500. Возможность создания топографических планов застроенных
территорий масштаба 1:200 на данный момент - вопрос отдельного исследования, на
который производители пока не могут дать однозначного ответа. Использование данного1
метода целесообразно в том случае, если территория ранее не картографировалась или
материалы съемок сильно устарели, т.е. количество изменений на местности столь велико,
что требуется новая съемка.
1.2 Лазерная локация
Лазерная локация - один из наиболее интенсивно развивающихся инновационных методов
топографических съемок. Работы по созданию топографических планов и карт
осуществляется при помощи лазерных сканеров авиационного базирования. На данный
момент основные мировые производители подобного оборудования - это Optech Inc.
(Канада) и Leica Geosystems (Швейцария).
12
Xa.Ya.Za
рис. 1.5 Принципиальная схема лазерной локации.
Работа современного лазерного локатора (рис.. 1.5) основана на измерении наклонной
дальности D от источника излучения (лазера) до наземного объекта, являющегося
препятствием на пути распространения лазерного луча. Препятствие отражает импульс,
который регистрируется приемником. По времени задержки от момента излучения
зондирующего импульса до момента регистрации отраженного импульса определяется
наклонное расстояние D. Одновременно определяются пространственные координаты
носителя Ха, Ya, Za, при помощи бортового спутникового приемника, а также углы
ориентации зондирующего луча. Значение этих шести параметров внешнего
ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей
отражение - Хр, Yp, Zp.
В результате лазерной локации (ЛЛ) получается файл данных, содержащий дискретное
"облако" точек, обладающих трехмерными координатами. В этом принципиальное
отличие и главное технологическое преимущество метода лазерной локации по
сравнению со стереофототопографическим, где переход к трехмерному представлению
сцены и обеспечение объектов координатами возможен в результате сложной
фотограмметрической обработки.
Однако при всех достоинствах данного метода, в первую очередь, необходимо
определить, возможно ли его использование для создания топографических планов
застроенных территорий масштабов 1:500 и 1:200.
13
Отметим, что в последнее время в паспортных данных приборов точность определяется,
как правило, одним числом: "XX сантиметров". Причем это число в последние годы
стремительно приближается к "нулю". Если 5 лет назад говорили и писали - 20-30 см, то
сегодня уже 10 и даже 8 см! Однако реальное понятие точности - вопрос специального
исследования, а проверка - сложная и дорогостоящая процедура (фактически научное
исследование), которую рядовой заказчик не может выполнить. Поэтому указанные
точностные параметры остаются на совести производителя.
С другой стороны, в последнее время за рубежом и в России появился ряд серьезных
публикаций [3] на тему "какова же реальная точность данных авиационного лазерного
сканирования". Рассмотрим этот вопросе более подробно.
Как уже отмечалось выше, лазерно-локационное изображение всегда дискретно: оно
состоит из множества лазерных точек, хаотично распределенных по поверхности земли и
наземных объектов. Вполне уместно говорить о "физической точности" определения?
геодезических координат того участка земной поверхности, в котором лазерный > луч
встретил препятствие и отразился. Именно эта величина указывается в паспорте прибора
производителями. Однако с практической точки зрения значительно более интересен
другой вид точности, а именно точность определения трехмерных координат
географических объектов по лазерно-локационным данным. Это значительно более
сложное понятие. Такая точность наряду с первичной физической точностью
определяется плотностью и режимом сканирования, а также в значительной мере
морфологией конкретного объекта или класса объектов.
В лазерных локаторах используется "энергетический" метод измерения расстояний. Этот
метод основывается на измерении момента времени прихода отраженного импульса по
его переднему фронту, что в общем случае вносит массу методических погрешностей,
влияющих на точность. Такая схема измерений достаточно чувствительна к оптическому
состоянию
14
поверхности объекта и характеру отражения (диффузное, зеркальное, бликующее).
Использование импульсного метода позволяет достичь точности измерения дальности не
более 8-10 см. Это ограничение носит принципиальный характер и связано с
невозможностью применения в настоящее время на авиационных носителях фазового
метода измерений [3].
Более того, оценка показателя точности дальномерных измерений в 8-10 см (именно такие
значения, как правило, приводятся в паспорте прибора) является в определенном смысле
наиболее оптимистичной. На практике физическая точность лазерной точки может быть
значительно ниже паспортных значений. Потому что производитель в лабораторных
условиях проводит калибровку дальномерного блока лазерного локатора на случай
"типового" отражения (диффузное отражение во всю верхнюю полусферу со значением
спектрального полусферического коэффициента отражения на рабочей длине волны
лазера на уровне 0,2-0,7). Если же оптические свойства реальной поверхности
существенно отличаются от типовых, то это может привести к значительному ухудшению
точности измерения наклонной дальности, в результат чего ошибка может составить
несколько метров. Проиллюстрируем это положение на примерах.
Значительное снижение точности определения координат может иметь место при съемке
объектов малых угловых размеров, например, проводов и тросов линии электропередачи.
Такие объекты возвращают на входной зрачок локатора слабый отраженный импульс с
уровнем пиковой мощности на уровне порога срабатывания схемы регистрации
приемника. Сильно пологий передний фронт отраженного импульса часто приводит к
тому, что он регистрируется с задержкой, в результате чего появляется ошибка измерения
наклонной дальности с положительным знаком (т.е. измеренная дальность больше
истинной). Ошибка может достигать 0,5 м и более. Аналогичное явление наблюдается при
съемке растительности.
Противоположным примером является отражение от бликующих поверхностей,
возвращающих на приемник большую часть потока
15
падающего излучения. Специальные исследования проводились компанией "Геокосмос" в
2003 г [4]. Было установлено, что ошибка измерения дальности для таких поверхностей в
случае использования лазерного локатора А1/ГМ 2050 может достигать 3 м. Причем, на
этот раз измеренная дальность оказывается меньше истинной. На практике примером
поверхностей такого рода являются рифленые металлические крыши ангаров и т.п.
Таким образом, можно констатировать, что лазерная локация, безусловно, интересный
инновационный метод производства съемочных работ. Однако следует отметить, что
становятся очевидными многие недостатки способа. В частности, невозможность
использования фазового метода измерений, что безусловно снижает точность и делает
невозможным получение топографических планов масштаба 1:500, не говоря уже о 1:200.
Кроме того, разнообразие бликующих поверхностей, особенно на застроенных
территориях, делает процесс обработки полученных данных (создание топографической
карты - плана) задачей весьма непростой и, возможно, более трудоемкой, чем при
традиционных фотограмметрических способах. Поэтому при всех достоинствах метод
лазерной локации, не может быть использован для создания крупномасштабных
топографических планов застроенных территорий. В этом отношении приоритетным
направлением является аэрофототопографические съемки с использованием цифровых
'аэрофотоаппаратов, которые уже на данном этапе позволяют производить съемки
масштаба 1:500, а по затратам и скорости обработки превосходят лазерную локацию.
16
1.3 Наземная фототеодолитная съемка
Фотографирование объекта при фототеодолитной съемке производится с двух точек,
расстояние между которыми так же, как и в аэрофотосъемке, называется базисом
фотографирования. В зависимости от направления оптической оси фототеодолита
относительно базиса и горизонтальной плоскости различают общий, конвергентный,
равномерно-отклоненный и нормальный случаи съемок.
Полевые работы на станции заключаются в определении геодезическими методами
координат и высоты одного из концов базиса, длины базиса, наклона и дирекционного
угла, координат контрольных точек и фотографировании местности.
Фотограмметрическая обработка снимков выполняется аналитическим или аналоговым
способами.
Наземная фототеодолитная съемка в настоящее время применяется редко. Это связано с
тем, что при съемке во время фотографирования в городе большая площадь закрыта
припаркованными автомобилями, различными механизмами и временными постройками.
За капитальными зданиями остаются непросматриваемые зоны. Чтобы их не было,
приходится фотографировать объект со всех сторон, увеличивая при этом число точек, с
которых производится фотографирование, что повышает в свою очередь затраты,
увеличивает время работы и усложняет последующую камеральную обработку.
На данном этапе развития аналитической фотограмметрии и при наличии современных
высокопроизводительных компьютеров, наиболее перспективной стала возможность
использования общего случая съемки, при этом координаты базиса и точек расположения
съемочной аппаратуры не определяются. Определению подлежат лишь координаты
контрольных точек на объекте фотографирования. Причем, в последнее время имеется
тенденция к использованию неметрических камер [5], которые, как показывают
исследования, вполне обеспечивают точность определения координат,
17
Список литературы