Геодезическая съемка

Введение

Современная геодезия является одной  из важнейших фундаментальных наук, которую изучало человечество. Она  достигла глобальных высот и, не останавливаясь, продолжает расти в своём совершенствовании. На данный период все знания, которые  мы имеем о поверхности Земли, получены благодаря геодезии. По оценкам экспертов объемы геодезических работ за последние три года выросли примерно в пять раз. Использование современных технологий существенно расширило   рамки   решения   задач   навигационного и геодезического направления.

Наряду со спутниковой геодезической  аппаратурой, приобретающей всё  большее значение при выполнении различного рода топографо-геодезических  работ, не менее актуальными остаются вопросы использования технических  средств и методов традиционных геодезических измерений. При этом одним из совершенных средств измерения в настоящее время является электронный тахеометр, позволяющий выполнять угловые и линейные измерения с высокой точностью, а также осуществлять вычисление плоских прямоугольных координат, высот и их приращений в реальном масштабе времени. Наряду с этим спутниковые радионавигационные системы (GPS, ГЛОНАСС) позволяют в большинстве случаев (по сравнению с традиционными методами) достигнуть более высокой точности место определения объекта с меньшими экономическими затратами.

В настоящее время в топографо-геодезическом  производстве происходит множество  изменений  в технологии и методике ведения процессов. С каждым днем выпускаются новые приборы, в частности электронные и спутниковые, для измерения углов, превышений, длин или пространственного местоположения. В связи с этим меняется технология и методика геодезического производства. Оптические и оптико-электронные методы измерений переходят к спутниковым методам.

В этой связи, цель дипломной работы, заключающаяся в сравнительном анализе использования в геодезических работах как постоянной действующей базовой GPS-станции, так и электроного тахеометра. Актуальность темы определяется также требованиями сокращения сроков выполнения геодезических работ, экономических затрат, определения ряда преимуществ и недостатков, а также перспектив данных методов измерения.

Проведенный сравнительный анализ позволяет определить эффективность  каждого из способов по таким критериям как точность, снижение затрат времени, повышение производительности труда, стоимость и ряда других.

Результаты проведённого эксперимента не только детально раскрывают методику работ электронным тахеометром Leica TC407 и базовой GPS станции Leica GPS1200 при производстве геодезических работ, но и наглядно докажут существенное повышение эффективности выполнения работ с его помощью.

1. Современное геодезическое оборудование

1.1 Электронный тахеометр

На замыкающей стадии развития оптико-электронных  геодезических приборов стоит универсальный инструмент - электронный тахеометр, неслучайно занимающий прочное место в ряду приборов геодезического оборудования. Электронный тахеометр – это современный геодезический прибор, предназначенный для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Используется для определения координат и высот точек местности при топографической съёмке местности, при разбивочных работах, выносе на местность высот и координат проектных точек. Появление его на мировом рынке значительно упростило проведение геодезических измерений. По сути, это устройство, объединяющее в себе теодолит и светодальномер. Одним из основных узлов современных электронных тахеометров является микроЭВМ, с помощью, которой можно автоматизировать процесс измерений и решать различные геодезические задачи по заложенным в них программам. Увеличение числа программ расширяет диапазон работы тахеометра и область его применения, а так же повышает точность работ. Наличие регистрирующих устройств в тахеометрах позволяет создать автоматизированный геодезический комплекс: тахеометр – регистратор информации – преобразователь – ЭВМ – графопостроитель, обеспечивающий получение на выходе конечной продукции – топографического плана в автоматическом режиме. При этом сводятся к минимуму ошибки наблюдателя, оператора, вычислителя и картографа, возникающие на каждом этапе работ при составлении плана традиционным способом.

1.1.1 Виды и принцип действия

В электронных тахеометрах расстояния измеряются по разности фаз испускаемого и отраженного луча (фазовый  метод), а иногда (в некоторых современных моделях) – по времени прохождения луча лазера до отражателя и обратно (импульсный метод). Точность измерения зависит от технических возможностей модели тахеометра, а также от многих внешних параметров: температуры, давления, влажности и т. п.

Диапазон измерения расстояний зависит также от режима работы тахеометра: отражательный или безотражательный. Дальность измерений при безотражательном режиме напрямую зависит от отражающих свойств поверхности, на которую  производится измерение. Дальность измерений на светлую гладкую поверхность (штукатурка, кафельная плитка и пр.) в несколько раз превышает максимально возможное расстояние, измеренное на темную поверхность. Максимальная дальность линейных измерений для режима с отражателем (призмой) – до пяти километров (при нескольких призмах – ещё дальше); для безотражательного режима – до одного километра. Модели тахеометров, которые имеют безотражательный режим, могут измерять расстояния практически до любой поверхности, однако следует с осторожностью относиться к результатам измерений, проводимых сквозь ветки, листья и подобные преграды, поскольку неизвестно, от чего именно отразится луч, и, соответственно, расстояние до чего он измерит.

Существуют модели тахеометров, обладающие дальномером, совмещенным с системой фокусировки зрительной трубы. Преимущества таких приборов заключается в том, что измерение расстояний производится именно на тот объект, по которому в данный момент выставлена зрительная труба прибора.

Точность угловых измерений современным тахеометром достигает половины угловой секунды (0°00’00,5"), расстояний – до 0.5 мм + 1 мм на км.

Точность линейных измерений в безотражательном режиме – до 1 мм + 1 мм на км.

Большинство современных тахеометров оборудованы вычислительными и запоминающими устройствами, позволяющими сохранять измеренные или проектные данные, вычислять координаты точек, недоступных для прямых измерений, по косвенным наблюдениям и т.д. Некоторые современные модели дополнительно оснащены системой GPS.

Тахеометры, собираемые из отдельных модулей, позволяют выбрать компоненты именно под конкретные прикладные задачи, полностью исключив лишнюю функциональность.

Автоматизированные тахеометры хорошо зарекомендовали себя при сканировании в заданном секторе большого количества точек (фасадного сканирования, а также при мониторинге деформации).

1.1.2 Области применения и стандартные прикладные задачи

При создании ЦММ (цифровой модели местности), электронный тахеометр с возможностью передачи данных в компьютер  через специальный интерфейс, становится абсолютно незаменимым прибором.

Электронный тахеометр является готовым  решением для самого широкого круга  геодезических задач: определение  расстояний, расчеты относительно базовой  линии, определение координат и  высоты недоступного объекта, также, прибор выполняет обратную засечку (определение координат дополнительной точки, с помощью измерения в этой точке углов между направлениями на три данных пункта и более с известными координатами). Современный электронный тахеометр обладает большим объемом памяти для надежного хранения полученных данных, а интерфейс для связи с компьютером позволяет загружать координаты из ПК для последующего выноса данных в натуру, также данные можно перенести в ПК для последующей работы с ними уже на стационарном компьютере или ноутбуке.

1.1.3 Классификация тахеометров по применению

Электронные тахеометры по способу  применения можно подразделить на следующие  виды:

1 Строительные тахеометры – электронные тахеометры для строительства с дальномером для проведения традиционной съемки, дисплеем, и отсутствием алидады.

Отличительной особенностью строительных тахеометров являются:

• промеры дальномером сквозь препятствия (ветки деревьев, сетку рабицу и т.д.);
• измерение против солнца (засветка);
• отсутствие винта лимба, что не позволяет выполнять измерения в два приема.

2    Полевые тахеометры – электронные тахеометры для геодезических работ в сложных природных условиях, с безотражательным дальномером и погашением отражающегося сигнала, бесконечными наводящими винтами и округлением чисел по Гауссу, способные снимать в 2 - 3 приема и изменением градации лимба в соответствии классом проводимых работ.

1.1.4 Классификация тахеометров по конструкции

По конструкции электронные  тахеометры подразделяются на следующие типы:

1 Модульные тахеометры – тахеометры, которые состоят из отдельно сконструированных элементов (угломерных, дальномерных, зрительной трубы, клавиатуры и процессора).

2 Интегрированные тахеометры – тахеометры, в которых все устройства (оптический теодолит, светодальномер и система GPS) объединены в один механизм.

3 Автоматизированные тахеометры – тахеометры с сервоприводом и системами распознавания, захвата, слежения за целью, что позволяет выполнять работы одному сотруднику, гарантируя дополнительную точность измерений.

В таблице 1 приведены основные производители тахеометров на сегодняшний день.

Таблица 1

Основные производители тахеометров

1.2 GPS –станции

В современном, динамично развивающемся  мире высоких технологий одним из ключевых направлений развития являются системы глобального позиционирования – GPS.

В различных отраслях приложения использования  системы глобального позиционирования (GPS) разнообразны. Некоторые задачи довольно просты – например, определение местоположения, другие представляют собой сложный комплекс взаимодействия системы GPS с коммуникациями и иными технологиями. Бурный рост коммерческих приложений в последние годы оказался удивительным для многих наблюдателей и фирм, разрабатывающих спутники и оборудование GPS. Отличающиеся потребности коммерческих и частных пользователей, а также наличие альтернативных решений привели к высокой специализации и конкуренции на рынке GPS технологий, оборудования и сервисов.

В настоящее время во многих странах  существуют системы спутниковых, постоянно  действующих, базовых станций (GNSS-инфраструктура), которые обеспечивают конечных пользователей необходимыми данными, решая задачи высокоточного и оперативного определения координат необходимых пунктов. Полученные от базовых станций данные могут использоваться для постобработки (измерения в режимах статики и кинематики).

Базовые станции идеальны для инфраструктурных проектов и предназначены для  организации автономной базовой GPS-станции  или для создания сети непрерывно действующих станций для задач геодезии, геодинамики и мониторинга инженерных сооружений.

GPS приемники предназначены для использования в сетях с масштабируемой структурой и в качестве постоянно действующих опорной станции для задач геодезии, геодинамики и мониторинга инженерных сооружений. Все GPS приемники имеют уникальные коммуникационные характеристики. Поддержка TCP/IP протокола позволяет полностью управлять GPS-приемниками через Интернет. Это особенно важно при расположении приемника в труднодоступном месте.

Используемое программное обеспечение обрабатывает данные всех базовых станций сети одновременно и позволяет пользователям получать координаты с более высокой точностью и в более широкой зоне, чем при традиционной RTK съемке. Данные  доступны пользователям круглосуточно и гарантируют им определение координат с сантиметровой точностью в любом месте сети без необходимости создания сетей обоснования и установки собственной базовой станции.

Сеть GPS базовых станций это возможность  получения GPS данных для постобработки в формате Rinex и доступ к RTK поправкам от  базовых станций, расположенных в пределах той или иной области. Основой сети являются стационарные, постояннодействующие двухчастотные GPS приемники Trimble, Topcon, Leica, Sokkia, Javad, Ashtech и приемники других производителей. Эти данные предназначены для использования в таких областях как геодезия, землеустройство, межевание, кадастр, топография. Наиболее эффективно использование высокоточных GPS приемников при проведении следующих видов работ: топографическая съемка (топосъемка), исполнительная геодезическая съёмка, разбивка осей зданий и сооружений, восстановление границ участков, вынос в натуру межевых знаков, геодезическое сопровождение строительства, сгущение Государственной Геодезической Сети.

Используя данные с базовых станций можно сократить расходы на оснащение полевых бригад GNSS оборудованием, так как работы в радиусе действия базовой станции производятся только одним приемником. При наличии полного комплекта (1 + 1) производительность работ можно увеличить вдвое, так как и базу, и ровер можно использовать в качестве подвижного приемника.

1.2.1 Применение GPS

Рынок GPS для коммерческого использования  может быть сегментирован по различным  потребностям покупателей во временной  и пространственной информации. Одной из первоначальных целей создания GPS было совершенствование навигации на военных кораблях и самолетах. Однако сегодня существуют десятки применений GPS, причем о новых приложениях сообщается ежемесячно в академических, экономических и общественных СМИ. Признание системы GPS в авиации, водном транспорте, строительстве, общественном транспорте, экстренных, геодезических, погодных, научных и правоохранительных службах, а также в сельском и лесном хозяйстве создали широкие возможности для рынка GPS.

1.2.1.1 Применение в геодезии

Применение GPS в глобальных масштабах  является мощным средством геодезии. Сюда включается мониторинг таких глобальных геодинамических явлений, как вращение Земли или тектоника плит. Очень  полезно совмещение (коллокация) пунктов GPS с пунктами РСДБ квазаров и лазерной дальнометрии ИСЗ.

Геодезисты давно желали измерять движение земной коры для разных научных  целей. Одним из применений GPS является предсказание землетрясений путем  измерения предшествующих им движений коры. GPS является идеальным средством для таких исследований, поскольку оборудование недорого, мобильно, обладает высокой точностью. Например, Национальная геодезическая служба (НГС) США регулярно выполняет наблюдения в ряде пунктов в восточной части США с использованием двухчастотных приемников. Тем самым можно судить о движении земной коры. Эту же информацию можно использовать при выборе места для крупных инженерных сооружений (атомных электростанций, водохранилищ), а также для построения высокоточной геодезической сети. Сеть НГС привязана к сети GPS приемников, размещенных в пунктах РСДБ. Подобные сети можно использовать для определения движения земной коры, как на континентах, так и на островах. Например, в Японии имеется постоянная сеть GPS станций, обеспечивающая мониторинг движения земной коры в почти реальном времени. Аналогичная сеть имеется в Австрии.

GPS является основным средством  точного измерения разностей  высот в реальном времени. Исследования  НГС показали, что повторные измерения  между стабильными и опускающимися пунктами дают точные величины опускания. В промышленности GPS применяется для измерения опускания прибрежных нефтяных платформ с помощью повторных съемок. Например, подобные ежемесячные измерения в Северном море показали, что отдельные платформы значительно изменяли свою высоту по отношению к остальным платформам. Это говорило о нестабильности некоторых участков коры. Для Голландии измерение высот пунктов жизненно важно, поскольку около 70% процентов ее территории находится ниже уровня моря.

GPS можно применить для создания  географических информационных  систем (ГИС) – компьютерных баз данных, отражающих географию региона. ГИС позволит быстро принимать решения по планированию, развитию, мониторингу инфраструктуры региона. Обычно создание ГИС начинают с создания файлов данных с картографической информацией. Данные содержат информацию о дорогах, зданиях, типе растительности и почвы, и т.д. Эту информацию можно вывести на экран в виде карт. GPS часто играет ключевую роль для наземного контроля при создании карт. С помощью GPS определяются координаты объектов, легко отождествляемых на фотоснимках, и эти объекты используются для контроля масштаба и ориентации карты. Можно добавлять в ГИС новые объекты, положения которых определены с помощью GPS.

1.2.1.2 Применение в транспорте

Оборудование, обеспечивающее контроль за перемещением автомобилей, людей  или животных, пользуется в настоящее  время повышенным спросом на рынке  высокотехнологичных устройств  спутниковой навигации. Особо часто  применяется GPS контроль, работающий при помощи спутниковой и сотовой связи и позволяющий осуществлять дистанционный контроль вне зависимости от расстояний.

Контроль автотранспорта используется особенно активно в бизнесе, связанном  с логистикой и дальними перевозками. Если раньше контроль транспорта мог осуществляться исключительно на месте, то в настоящее время он стал гораздо проще, и не требует привлечения дополнительного персонала, так как всю работу на себя берет GPS контроль автотранспорта, для которого требуется только наличие компьютера и специального оборудования, установленного на автомобиль. Поездки и грузоперевозки стали намного безопаснее, так как в любой момент местоположение транспорта можно определить и проконтролировать, придерживается ли конкретная машина маршрута или нет. Работает транспорт или нет. А если работает, то эффективность можно проверить посредством аналитических отчетов. Система контроля транспорта в дополнение к стандартным функциям имеет и дополнительные возможности: контролируется безопасность перевозок, в том числе посредством функции тревожной кнопки. Сигнал моментально поступит диспетчеру в систему мониторинга или на мобильный телефон. Диспетчер в свою очередь может дистанционно заблокировать двери, двигатель или иной подключенный механизм. Таким образом, контроль транспорта, осуществляемый с помощью системы GPS контроля – это активная возможность контроля автотранспорта, позволяющая не просто отслеживать местоположение машины, но и действовать сообразно непредвиденной ситуации.

Спутниковый мониторинг автотранспорта. GPS контроль транспорта позволяет отображать точные координаты автомобиля на электронной карте, осуществлять контроль расхода топлива и профилактику таких нарушений, как нарушение скоростного режима, левые рейсы, незапланированные простои, отклонения от маршрута и т.д.

1.2.2 Выбор места GPS наблюдений. Определение положения пункта. Статические и кинематические методы наблюдений

Определение координат одного пункта называется "абсолютным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью одного приемника, который измеряет кодовые дальности до спутников (обычно четырех и более). Определение координат одного пункта относительно известных координат другого пункта называется "относительным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью двух приемников на двух пунктах, которые одновременно измеряют кодовые дальности или фазы несущей до одних и тех же спутников. Точность определения выше, чем в абсолютном методе, так как задействованы наблюдения с двух пунктов. Обычно приемник, установленный в пункте с известными координатами, является стационарным во время наблюдений. Строго говоря, термин "относительный" употребляется в случае наблюдений фазы несущей, а в случае наблюдений кодовой дальности используется термин "дифференциальный". Абсолютный метод используется в навигации, а относительный в геодезической съемке.

 Термин "статический" означает выполнение наблюдений с помощью неподвижного приемника, а "кинематический" - с помощью движущегося приемника. Временная потеря сигнала не так страшна для статического метода, как для кинематического. Статическое абсолютное определение положения полезно, если нужна невысокая точность (от 5 м до 10 м), за сравнительно короткий интервал времени наблюдений. Кинематическое абсолютное определение положения используется для определения траектории транспортного средства в пространстве и времени с точностью от 10 м до 100 м (навигация, гравиметрия самолета, наземная гравитационная съемка на транспорте).

 Статическое относительное определение положения по наблюдениям фазы несущей в настоящее время является наиболее используемым геодезистами методом, и по-другому данный метод называется "статической съемкой". Принцип основан на определении вектора между двумя неподвижными приемниками. Вектор часто называют "линией базы" или просто "линией" из-за сходства с триангуляционными линиями баз. Рекомендуется вместо термина "линия" использовать слово "база", более распространенное в странах СНГ. Различают "однобазовое" и "многобазовое" определения, причем последний термин применяют, если число пунктов превышает два. При статической съемке достижима относительная точность от 10^-6 до 10^-7, что эквивалентно миллиметровой точности для баз длиной до нескольких километров.

Кинематическое относительное определение положения выполняется по одновременным наблюдениям на одном неподвижном и одном движущемся приемниках. Метод применяется там же, где и кинематическое абсолютное определение положения, но достигается более высокая точность. Точность в дифференциальном (по кодовым дальностям) определении находится на метровом уровне, а в относительном (по фазам несущей) методе достижима сантиметровая точность.

"Полукинематический" метод,  или метод "остановки и движения" (Stop and Go), является комбинацией статического и кинематического относительных определений положения. В этом методе движение приемника чередуется с остановками в заданных пунктах. Наблюдения ведутся постоянно, но во время остановок накапливаются эпохи измерений и, соответственно, повышается точность определений. Метод часто называют просто "кинематической съемкой".

"Псевдокинематический" или "прерывистый  статический" метод определения  положения предполагает, что на  интересующих пунктах наблюдения  выполняют еще один раз (примерно  через час после первого посещения пункта). Это делается для того, чтобы облегчить разрешение неоднозначности и получить более высокую точность. В основном эти цели достигаются вследствие изменения конфигурации сети спутников. При этом не требуется поддержания непрерывности сигнала между посещениями станции, и приемник во время движения можно даже отключать.

"Быстростатические" методы  используют комбинации псевдодальностей  и фаз несущей с целью выполнить  быструю инициализацию (то есть  разрешить неоднозначность) в  статическом режиме. В этом случае требуются измерения как кода, так и фазы несущей, на обеих частотах. Наблюдения в течение 5 - 10 минут могут дать относительную точность 10^-6.

"Безостановочные (On-The-Fly)" методы  позволяют выполнить инициализацию  в кинематическом режиме, а не в статическом. Этот метод с использованием кодовых данных позволяет определять положения движущихся объектов с дециметровой и даже с сантиметровой точностью, если неоднозначности разрешены.

1.2.3 Выбор метода наблюдений

Выбор метода GPS съемки зависит от требований проекта, главным образом, к точности определения положений. При использовании одного приемника имеет смысл лишь определение координат одного пункта – "абсолютное определение положения" пункта. При этом не следует забывать, что неограниченный доступ возможен лишь к коду C/A, и что точность может быть искусственно ухудшена включением режима выборочного доступа (SA – Selective Availability). Более точный P-код в случае режима антиимитации (AS – Anti-Spoofing) или засекречивания P-кода доступен лишь пользователям, имеющим на это разрешение. При использовании двух или большего числа приемников, один из пунктов служит корректирующей станцией, и на втором пункте достижимы более высокие точности. В дифференциальном режиме наблюдаются кодовые псевдодальности одновременно до четырех (обычно) или более спутников. Корректирующая станция вычисляет действительные поправки к наблюденным кодовым псевдодальностям. Эти поправки затем передаются различными средствами связи на неизвестные пункты, приводя к уточнению независимо вычисленных положений. Поскольку P-кодовые приемники обеспечивают точность кодовых дальностей на метровом уровне, с помощью дифференциального метода достижима субметровая точность определения положения. Следовательно, можно строить сети ниже третьего класса. Преимуществом метода кодовой псевдодальности является его нечувствительность к скачкам фазы и, до некоторой степени, к препятствиям около пункта. Значит, в лесных районах деревья оказывают на кодовые наблюдения меньше влияния, чем на измерения фазы несущей.

В настоящее время геодезические  точности достижимы лишь при использовании  измерений фаз несущей, выполненных  в режиме относительного определения  положений. Обработка вектора базы требует, чтобы фазы наблюдались  одновременно на обоих концах базы. Следовательно, относительное определение положения было раньше возможно лишь в последующей обработке наблюдений. Недавно были сделаны успешные попытки передачи результатов наблюдений на коротких базах в реальном времени, что дало возможность в реальном времени вычислять вектор базы.

Метод статической съемки является наиболее используемым, поскольку единственным основным требованием является относительное  отсутствие препятствий для обзора неба на пунктах. Обычно для статической  съемки нужно 60 - 120 минут наблюдений. Однако, этот метод включает в себя использующий более короткие интервалы наблюдений (например, 10 минут) метод "широкой полосы (wide-line)" или метод быстростатической съемки, основанный на быстром разрешении неоднозначности. Для длинных баз (> 50 км) обнаружение скачков фаз и разрешение неоднозначностей усложняется. В таких случаях может быть полезным использование дополнительных приемников в окрестностях обоих пунктов базы. Неоднозначности определяются для коротких баз и затем используются для определения неоднозначностей на длинных базах. Эта процедура называется "добавочным расширением (boot-strapping)". Обычно статическая съемка используется при государственных, областных и местных контрольных съемках, при фотоконтрольных съемках, при исследовании деформаций и границ плит.

Метод кинематической съемки является наиболее производительным в том  смысле, что за наименьшее время  можно определить положения наибольшего  числа пунктов. Тогда как в  статическом методе GPS требуется, чтобы спутники перемещались по небу, в кинематическом методе этого не требуется. Поэтому для кинематического метода является полезным предлагаемое совместное с GPS использование геостационарных спутников. Кинематическая съемка требует проведения тщательной рекогносцировки на местности, поскольку не только пункты остановок и неподвижные пункты, но и трасса между пунктами, по которой движется приемник, должны быть свободны от препятствий. Кинематический метод требует непрерывного сигнала от четырех или более спутников в течение всей съемки. На практике это означает, что движущийся приемник не может проезжать под деревом или близко к столбу. Метод наиболее подходит широким открытым местностям с малым количеством препятствий, а также и для пригородов, где не слишком много больших деревьев нависает над дорогой. С помощью этого метода можно определять положение приемника, размещенного на наземном транспорте, движущемся по данному району по пересекающимся линиям. Трехмерные координаты этого приемника можно определить с высокой точностью (несколько сантиметров), так что возможно подготовить точную топографическую карту этого района.