Классификация и технические характеристики геодезических сетей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

Факультет дистанционных форм

обучения – заочное отделение

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1 по

курсу «ПРИКЛАДНАЯ ГЕОДЕЗИЯ»

Москва, 2012г.

Классификация и технические характеристики

геодезических сетей

Инженерно-геодезические  опорные плановые и высотные сети создаются на территориях городов, крупных промышленных, энергетических, горнодобывающих объектов и служат геодезической основой для производства проектно-изыскательских и строительных работ.

Геодезические сети подразделяются на четыре вида: государственные, сети сгущения, съёмочные и специальные. Государственные геодезические сети служат исходными для построения всех других видов сетей. В настоящее время для построения государственных плановых сетей применяют спутниковые методы.

Плановые геодезические  сети подразделяются:

• по территориальному признаку или иначе, по уровню распространения – на глобальные, государственные и локальные, иначе местные;
• по функциональному назначению – на сети межгосударственного, федерального и специального назначения;
• по виду заложенной в них информации – на пространственные, плановые, высотные и гравиметрические;
• в зависимости от методов и средств их построения – на спутниковые и классические (традиционные астрономо – геодезические).

Современная реконструкция и дальнейшее развитие государственной геодезической сети (ГГС) РФ базируется на активном применении спутниковых технологий. Предполагается, что спутниковая геодезическая сеть (СГС) будет включать в себя построения трёх уровней. Верхний уровень занимает фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС). На следующем уровне находится высокоточная спутниковая геодезическая сеть (ВГС), а третий уровень занимает спутниковая сеть 1 класса (СГС-1).

Таким образом, с учётом существующих плановых геодезических сетей, структура государственной геодезической сети РФ по точности определения положения пунктов может быть подразделена на:

• фундаментальную астрономо–геодезическую сеть (ФАГС);
• высокоточную геодезическую сеть (ВГС);
• спутниковую геодезическую сеть 1 класса (СГС-1);
• астрономо – геодезическую сеть 1 и 2 классов (АГС);
• государственную геодезическую сеть 3 и 4 классов;
• геодезические сети сгущения.

Пункты указанных геодезических сетей, связанные между собой геодезическими измерениями, могут быть совмещены.

К основным параметрам геодезических  сетей, подлежащих нормированию в нормативно-технической документации, относятся:

• плотность пунктов;
• расстояние между пунктами;
• средняя квадратическая погрешность взаимного положения пунктов в плане и по высоте;
• средняя квадратическая погрешность определения координат пунктов.

Государственная геодезическая сеть, созданная на территории России, состоит из 28 астрономо-геодезических пунктов космической геодезической сети (КГС), 131 пункта доплеровской геодезической сети (ДГС), 164306 пунктов астрономо-геодезической сети (АГС) 1 и 2 классов точности и порядка 300000 пунктов геодезических сетей сгущения 3 и 4 классов.

Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС) включает астрономо-геодезические пункты космической геодезической сети и пункты лазерной локации спутников, длиннобазисной радиоинтерферометрии, пункты службы вращения Земли и другие пункты спутниковых наблюдений. К настоящему времени сеть насчитывает 38 пунктов, 28 из которых открытого пользования. Данные наблюдений на этих пунктах служат для формирования основы национальной геоцентрической системы координат и одновременно для определения точных эфемерид искусственных спутников земли (ИСЗ) и глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС). Из 28 постоянно действующих пунктов открытого пользования (из них 9 подведомственны Росреестру), часть пунктов относятся к системе дифференциальной коррекции и мониторинга Роскосмоса, а часть пунктов подведомственны Российской академии наук, в том числе три пункта радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами и пункты Ростехрегулирования.

Расстояние между смежными пунктами ФАГС составляет в среднем около 1000 км.

Пространственное положение  пунктов ФАГС определяют методами космической  геодезии в геоцентрической системе  координат относительно центра масс Земли со средней квадратической погрешностью не более 10 см.

Взаимное положение пунктов  ФАГС должно определяться со средней  квадратической погрешностью не более 2 см в плане и 3 см по геодезической  высоте с учётом скоростей их изменения  во времени.

Часть этих пунктов должна стать постоянно действующими астрономическими обсерваториями.

Высокоточная геодезическая  сеть (ВГС) представляет собой опирающееся  на пункты ФАГС однородное по точности пространственное геодезическое построение, состоящее из системы пунктов, удалённых  один от другого на 150 – 300 км (в среднем около 250 км).

Пункты ВГС определяют методами космической геодезии, обеспечивающих точность взаимного положения по каждой из плановых координат со средними квадратическими погрешностями 3 мм + 5 10^-8D, где D – расстояние между пунктами. По геодезической высоте с погрешностью 5 мм + 7 10^-8 D. Каждый пункт ВГС связывают измерениями со смежными пунктами и не менее чем с тремя пунктами ФАГС.

На пунктах ВГС следует  выполнять определение нормальных высот и абсолютных значений ускорений силы тяжести. Для связи существующей сети с вновь создаваемыми построениями определяют взаимное положение пунктов ФАГС и ВГС с ближними пунктами АГС и реперами нивелирной сeти I-II классов.

Спутниковая геодезическая сеть 1-го класса (СГС-1) представляет собой пространственное геодезическое построение, создаваемое по мере необходимости в экономически развитых районах страны со средними расстояниями между смежными пунктами около 25-35 км.

Пункты СГС-1 определяют относительными методами космической геодезии со средними квадратическими погрешностями во взаимном положении 3 мм + 1 10^-7 D по каждой из плановых координат, а по геодезической высоте 5 мм + 2 10^-7 D.

Сеть СГС-1 может строиться отдельными фрагментами.

Средняя квадратическая погрешность  определения положения пунктов  СГС-1 относительно ближайших пунктов  ВГС и ФАГС должна быть не более 2 см в районах с сейсмической активностью 7 и более баллов и 3 см  в остальных регионах страны

Нормальные высоты определяют на всех пунктах СГС-1 либо из геометрического  нивелирования с точностью, соответствующей  требованиям к нивелирным сетям  II-III классов, либо как разности геодезических высот, получаемых относительными методами космической геодезии, и высот квазигеоида.

Часть пунктов СГС-1 совмещают  или связывают с существующими  пунктами АГС и реперами нивелирной сети не ниже III класса. Связи осуществляют относительными методами космической геодезии со средними квадратическими погрешностями не более 2 см для плановых координат при привязке к пунктам АГС и 3 см для геодезических высот при привязке к нивелирным реперам.

Астрономо - геодезическая  сеть 1 и 2 классов включает геодезические пункты, положение которых определяют традиционными методами (триангуляция, полигонометрия, трилатерация) со средними квадратическими погрешностями во взаимном положении не более 4 см в плане и 8 см по высоте. Расстояния между пунктами АГС составляет 8-25 км.

Плотность государственной  геодезической сети при применении современных спутниковых и аэросъёмочных  технологий должна обеспечивать решение  задач картографирования и обновления карт всего масштабного ряда до 1:500 для городов и 1:2000 для остальной территории.

В случае необходимости и  экономической целесообразности могут  создаваться геодезические сети сгущения и геодезические сети специального назначения.

Сети сгущения строят для  дальнейшего увеличения плотности  государственных сетей и подразделяют на 1-ый и 2-ой разряды.

Съёмочные сети – это  тоже сети сгущения, но с ещё большей  плотностью. С точек съёмочной  сети производят непосредственно съёмку предметов местности и рельефа  для составления планов и карт различных масштабов.

Специальные геодезические  сети создаются для обеспечения  строительства отдельных инженерных сооружений, а также решения ряда научных задач.

Построение геодезической  основы в виде сетей на площадках  изысканий и строительства выполняется  поэтапно в несколько ступеней по принципу от «общего к частному», от крупных (с большими расстояниями между пунктами) и высокоточных построений к меньшим по размеру и менее точным построениям. Целью этих построений является обеспечение площадки изысканий достаточным для производства съёмочных работ количеством пунктов планово-высотной съёмочной основы. Количество ступеней развития обоснования зависит от размеров площадки. Так, если площадь участка изысканий не превышает 1 км², то плановая опорная геодезическая сеть не строится, а строится только съёмочная сеть в виде теодолитных ходов, т.е. в одну ступень. При площади участка от 10 до 25 км² плановая опорная геодезическая сеть может состоять из построений 4 класса, а также 1 и 2 разрядов. Сгущаются эти построения съёмочными сетями в виде теодолитных ходов. Более подробно требования к построению геодезической основы отражены в сводах правил СП 11-104-97.

К специальным геодезическим  сетям следует отнести разбивочные  сети строительной площадки, внешние  и внутренние разбивочные сети здания.

Названные специальные разбивочные  сети будут детально рассматриваться  далее. Здесь же скажем, что способы  создания разбивочных сетей могут  быть как традиционные, так и основанные на спутниковых технологиях. Форма, размеры и класс таких сетей  обусловлены видом и размерами строящегося сооружения, конфигурацией размещения зданий и инженерных коммуникаций на строительной площадке. Исходными для таких сетей служат пункты государственной или городской геодезической сети в количестве не менее трёх.

Разбивочная сеть строительной площадки служит исходной плановой и высотной основой для производства разбивочных работ и выноса на местность объектов и конструкций строительного комплекса.

Внешняя разбивочная сеть здания создаётся для выполнения всех разбивочных работ на всех этапах строительства, включая исполнительные съёмки и наблюдения за деформациями возводимого конкретного объекта и окружающей его застройки.

Внутренняя разбивочная  сеть здания создаётся для производства разбивочных работ и исполнительных съёмок на монтажных горизонтах многоэтажных зданий. Строится внутренняя разбивочная сеть в виде базисной фигуры на исходном монтажном горизонте и повторяется на высших монтажных горизонтах по мере возведения сооружения.

Высотная разбивочная  основа строительного объекта создаётся в виде нивелирных ходов, класс которых определяется размерами строительной площадки. Высотные ходы должны опираться на реперы государственной или городской геодезической сети в количестве не менее трёх.

Геодезические сети 3 и 4 класса, сети сгущения, съёмочные сети, специальные геодезические и разбивочные сети могут быть объединены общим названием – инженерно-геодезические сети. При построении инженерно-геодезических сетей в качестве опорных используются государственные геодезические сети (АГС 1 и 2 классов, спутниковые сети высших классов).

Необходимость в построении инженерно-геодезических сетей возникает при изысканиях площадок под строительство и проектировании сооружений, составлении генеральных планов городов и посёлков, разработке технических проектов и рабочих чертежей гражданских, промышленных, гидротехнических, транспортных и других сооружений.

В более широком смысле инженерно-геодезические сети предназначены для решения практических задач:

• топографической съемки и обновления планов населённых пунктов всех масштабов;
• землеустройства, межевания, инвентаризации земель;
• топографо-геодезических изысканий на территориях предполагаемого строительства;
• инженерно-геодезической подготовки объектов строительства;
• геодезического изучения локальных геодинамических природных и техногенных явлений на территории городов и посёлков.

Требования к точности и плотности пунктов плановых инженерно-геодезических сетей достаточно разнообразны. Это обусловлено разнообразием тех задач, которые решаются при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений. Тем не менее, при отсутствии специальных требований, инженерно-геодезические сети проектируются с учётом возможности их последующего сгущения и развития для обеспечения основных разбивочных работ и топографической съёмки в масштабе 1:500.

Исходным началом для  расчёта точности плановых геодезических  сетей, предназначенных в качестве обоснования топографических съёмок, является требование к точности построения съёмочных сетей. Требование таково: предельные ошибки положения пунктов уравненного съёмочного обоснования относительно пунктов государственной геодезической сети и геодезических сетей сгущения не должны превышать на открытой местности и застроенных территориях 0,2 мм на плане. Так, для планов масштаба 1:500 предельные ошибки координат пунктов сети съёмочного обоснования выразятся величиной 0,10 м, а для съёмочных сетей при производстве съёмок в масштабе 1:2000 эта величина составит 0,40 метра. Однако, поскольку опорные геодезические сети на застроенных и незастроенных территориях городов, посёлков и промышленных предприятий проектируются с учётом возможности их последующего сгущения и развития для обоснования топографической съёмки в масштабе 1:500, а также для производства инженерно-геодезических разбивочных работ, то их точность, естественно, определяется предельной ошибкой в координатах 0,10 м.

Предельная погрешность (то же, что и предельная ошибка) взаимного  планового положения смежных  пунктов опорной геодезической  сети после её уравнивания установлена СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Госстрой России. М. ПНИИИС, 1997 и составляет 5 см. Следовательно, средняя квадратическая погрешность взаимного положения пунктов, при доверительной вероятности 0,95 не должна превышать 2,5 см.

Требования к точности производства разбивочных работ  могут быть значительно выше точности топографической съёмки. В таком  случае создаются специальные опорные  инженерно-геодезические сети. При  построении таких локальных сетей пункты старших классов используются только для передачи дирекционного угла на одну из сторон сети и координат на один из пунктов этой сети.

При построении специальных  геодезических сетей их точность и плотность могут существенно  меняться при переходе от одного этапа строительства сооружения к другому. Так, например, при возведении гидроузла на стадии изысканий геодезическая сеть строится из расчёта требований съёмочных работ, на стадии строительства – на удовлетворение требований к точности разбивочных работ, а в период эксплуатации сооружения – на удовлетворение требований к точности работ, выполняемых при наблюдениях за осадками и деформациями основных сооружений гидроузла. При этом требования к точности геодезических измерений возрастают от этапа к этапу.

Способы построения инженерно-геодезических  сетей могут быть различными, как  традиционными – это триангуляционные построения, трилатерация, линейно-угловые  сети и полигонометрия, но также  могут быть применены новые, более  прогрессивные методы построения.

Развитие науки и техники в последние десятилетия привело к созданию и внедрению в геодезическое производство принципиально нового метода определения координат – спутникового. В этом методе в качестве опорных точек берутся подвижные спутники, пространственные координаты которых вычисляются на любой интересующий момент времени. Измерив и вычислив расстояния до нескольких спутников (обычно более четырёх), вычисляются координаты точки, над которой установлен спутниковый приёмник или приращения координат между точками.

Внедрение спутниковых геодезических  технологий потребовало существенного  пересмотра традиционных подходов к  проблеме построения и реконструкции  инженерно-геодезических сетей.

Основным достижением спутникового метода, безусловно, является исключительно высокая точность определения приращений координат. Спутниковые системы постоянно совершенствуются, но уже сегодня приращения координат между двумя спутниковыми приёмниками могут быть определены со средней квадратической погрешностью 5 мм + D··10^-6, где D – расстояние между пунктами. Сравнив эту величину с обозначенным выше требованием СП 11-104-97 относительно погрешности взаимного положения пунктов опорной сети, легко видеть, что применение сегодня спутниковых технологий для построения инженерно-геодезических сетей не просто обеспечивает эти требования, но перекрывает их по точности в 5 раз.

В общем случае построение опорных  сетей, сетей сгущения или съёмочного обоснования, а также разбивочных  сетей с применением спутниковой  технологии (аппаратуры и методов) не имеет существенных ограничений, поскольку точность этой технологии выше существующих требований к точности построения большинства инженерно-геодезических сетей.

Что касается специальных сетей  с повышенными требованиями к  точности взаимного положения пунктов, то и при их построении могут быть найдены соответствующие схемы и пути решения задач с применением спутниковых методов в комбинации с современной высокоточной оптоэлектронной геодезической аппаратурой.

Некоторые ограничения в применении спутниковой аппаратуры могут возникнуть при выборе местоположения пунктов развиваемой сети. Однако, при наличии навыков и соответствующего опыта организации работ, почти всегда удаётся обеспечить возможность беспрепятственного проведения спутниковых наблюдений. Поэтому для масштабного ряда топографических планов (карт) 1:10000, 1:5 000, 1:2 000, 1:1 000 и 1:500 построение съёмочного обоснования уверенно может выполняться спутниковой аппаратурой и спутниковыми методами. При обеспечении съёмок масштаба 1:10000 спутниковая технология может быть применена для развития съёмочного обоснования (планово-высотной привязки опознаков). При крупномасштабных съёмках эта технология может быть применена как для развития съёмочного обоснования, так и для съёмки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5,0; 2,5; 2,0; 1,0; 0,5 м.

Плотность пунктов опорной и съёмочной геодезических сетей должна составлять на незастроенной территории на 1 км² не менее 4, 12, 16 пунктов для съёмок в масштабах соответственно 1:5000, 1:2000 и 1:1000.

Для съёмки в масштабе 1:500 плотность пунктов должна устанавливаться  в программе изысканий.

При производстве инженерно-геодезических  изысканий линейных сооружений геодезической  основой служат пункты (точки) планово-высотной съёмочной сети, прокладываемой вдоль трассы в виде магистральных ходов.

Построения плановых опорных геодезических сетей

способом триангуляции

Известные способы триангуляции, трилатерации и полигонометрии, а также сочетания этих способов относятся к традиционным способам построения плановых опорных инженерно-геодезических сетей. Некоторые из этих способов, как например триангуляция сегодня утратили своё значение. Другие, как полигонометрия, наоборот, в связи с широким внедрением электронных тахеометров, наиболее актуальны, а в сочетании со спутниковыми определениями составляют основу методов и схем построения и сгущения инженерно-геодезических сетей.

Точность определения  планово-высотного положения, плотность  и условия закрепления пунктов (точек) геодезической основы должны удовлетворять требованиям производства крупномасштабных топографических съёмок, в том числе для разработки проектной и рабочей документации предприятий, сооружений, гражданских объектов. Кроме того, точность сетей должна быть достаточной для выноса проектов в натуру, выполнения специальных инженерно-геодезических работ, наблюдений за опасными природными и техногенными процессами, обеспечения строительства и эксплуатации объектов.

Для инженерных целей преимущественно развиваются сети 4 класса, 1 и 2 разрядов, а на территориях больших городов могут строиться сети 2 и 3 классов с большими длинами сторон и более точными измерениями. Класс сети определяется площадью участка изысканий. Так, если площадь участка составляет от 25 до 50 км² и от 10 до 25 км², то плановая опорная геодезическая сеть развивается построениями 4 класса, 1 и 2 разрядов.. Высотные опорные сети для случая больших площадей строятся нивелированием III и IV классов; для меньших площадей нивелированием IV класса.

Если площадь участка изысканий заключена в пределах от 5 до 10 км², то плановая основа создаётся построениями 1 и 2 разрядов; высотная основа нивелированием IV класса. Для площадей менее 1 км² опорные сети не предусмотрены, а только съёмочные сети. Съёмочные сети строятся теодолитными ходами или триангуляцией взамен теодолитных ходов. Высоты съёмочных сетей определяются техническим нивелированием независимо от площади съёмок.

В таблице 1 приведены характеристики точности классов построения инженерно-геодезической  основы способами триангуляции, полигонометрии, трилатерации и теодолитными ходами.

Таблица 1. Характеристики точности классов построения

инженерно-геодезических сетей

Высотная привязка центров  пунктов опорной геодезической  сети должна производиться нивелированием III и IV классов или техническим нивелированием, для которых предельные погрешности определения превышений на станции соответственно равны 2,6; 5,0 и 10,0 мм (см. СП-11-104-97).

Триангуляцией называют построенные на местности фигуры из треугольников, в которых измерены все углы и одна или для целей контроля, две из сторон. Вершины треугольников закрепляют подземными центрами и обозначают наземными знаками – сигналами и пирамидами. В таких треугольниках по формулам тригонометрии легко находятся недостающие величины, что позволяет вычислять координаты вершин треугольников.

Триангуляционные сети используются в качестве основы для топографических  съёмок, для производства разбивочных  работ, а также для наблюдений за осадками и деформациями зданий и сооружений. В зависимости от назначения геодезической сети, размеров и формы объекта изысканий или строительства форма триангуляционных построений, размеры сторон и точность измерений в триангуляционных сетях могут значительно различаться.

Способ трилатерации

Метод трилатерации, как и триангуляция предусматривает построение на местности геодезических сетей из треугольных фигур в виде цепочек треугольников, геодезических четырёхугольников и центральных систем, в которых измеряются не углы, а длины сторон. Сети трилатерации создаются для решения ряда инженерно-геодезических задач и строятся в виде свободных сетей, состоящих из отдельных типовых фигур и их комбинаций или в виде сплошных сетей треугольников.

Базовой фигурой сети трилатерации является треугольник с измеренными  сторонами a, b, c.

Угол α может быть вычислен через тригонометрические функции или по формулам:

;                                   (1.3.)

;                                    (1.4)

.                                           (1.5)

Для линейно протяжённых объектов сеть трилатерации создают из цепочки треугольников или четырёхугольников.

Длины сторон в фигурах  трилатерации измеряются электронными тахеометрами и светодальномерами, а в сетях, создаваемых в качестве разбивочной основы, при строительстве зданий стороны измеряются компарированной рулеткой в 30 и 50 метров, что очень удобно на бетонной поверхности.

Необходимые нормативные требования к проектированию сети трилатерации 4 класса также выбираются из СП 11-104-97. Всё, что сказано применительно к триангуляции, относится и к сети трилатерации с учётом особенностей её построения.

Оценка проекта сети трилатерации может быть выполнена как на компьютере, при наличии соответствующей программы, так и при помощи приближённых формул для оценки точности типовых построений. В любом случае возникает необходимость в обозначении абсолютной ошибки измерения стороны сети. Для сетей 4 класса относительная средняя квадратическая ошибка измерения стороны должна быть не более 1:100000. Следовательно, абсолютная ошибка для разных длин сторон будет различной. В силу этого необходимо заранее определить рекомендуемый светодальномер или электронный тахеометр, обеспечивающий эту точность на минимальных длинах проектируемых линий.

Для линейно протяжённых объектов сеть трилатерации создают из цепочки треугольников. Одним из недостатков вытянутого ряда цепочки треугольников с измеренными сторонами является значительное превышение поперечного сдвига конечных точек ряда по отношению к продольному.

Недостатком сетей трилатерации из треугольников является также  отсутствие полевого контроля качества измерений для каждой фигуры. Действительно, сумма вычисленных углов треугольника всегда будет равна 180° при любых ошибках измерения сторон, даже при грубых промахах. В связи с этим на практике взамен фигур из треугольников строят сети из геодезических четырёхугольников.

В каждом геодезическом четырёхугольнике измеряются две диагонали и все четыре стороны. Ясно, что одно из этих измерений является избыточным и может быть вычислено по результатам измерения других сторон. Это может служить полевым контролем качества измерений длин линий. Кроме того, геодезический четырёхугольник является более жёсткой фигурой и ряд, составленный из таких фигур, обладает более высокой точностью.