Применение современных геодезических технологий для создания крупномасштабных топографических планов

Министерство  образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

Факультет                          Горно-нефтяной

Специальность                 Прикладная геодезия

Кафедра                            Маркшейдерское дело, геодезия и геоинфармационные системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

на тему: «Применение  современных геодезических технологий для создания крупномасштабных топографических планов»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила       ст.гр. ПГ-10  Еговцева Р.В.

Научный руководитель     доцент кафедры МДГ и ГИС, кандидат технических наук  Шишунов А.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь,2012г

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего  профессионального  образования

 

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МДГ  и ГИС

 

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта

Фамилия Имя  Отчество Еговцева Р.В.

Факультет          ГНФ                 Группа               ПГ-10

Руководитель  курсового проекта     Доцент кафедры МДГ и ГИС, кандидат технических наук  Шишунов А.Ю.

1) Тема курсового  проекта       Применение современных геодезических технологий для создания крупномасштабных топографических планов

2) Краткое содержание  или перечень вопросов, подлежащих  разработке в курсовом проекте:

  • Оценка требований предъявляемых к точности и содержанию плана.
  • Обоснование технологии ведения полевых и камеральных работ.
  • Приведение технических характеристик используемых в соответствии с предлагаемой технологией приборов.
  • Выполнение камеральной работы по составлению фрагмента плана.

3) Основные исходные  данные:

  • Масштаб создаваемого документа о местности, принимаемый  равным 1:2000.
  • Сечение рельефа горизонталями 0,5м.
  • Номер варианта (3 вариант).
  • Данные полевых измерений, исполненных с целью сгущени я планово-высотного обоснования, съемки элементов ситуации и рельефа.
  • Абрисы съемки.

 

 

Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………………….………4    

1 Анализ требований, предъявляемых к содержанию и  точности топографических планов масштаба 1:2000……………………….………....……. 6     

2 Обоснование  технологии выполнения полевых  и камеральных работ с кратким  описанием основных процессов………………………….………….……9     

2.1 Обоснование  оптимальной технологии ведения  полевых работ с

целью сгущения планово-высотного обоснования…………………………..…10

2.2 Обоснование  оптимальной технологии ведения  полевых работ с

целью съёмки элементов ситуации и рельефа…………………………….…...25 

2.3 Краткий обзор  современного программного обеспечения,  которое может

быть использовано для составления топографических планов………………42  

3 Технология  обработки данных и составления  фрагмента топографического плана  застроенной территории…………………………………………………...52  

4 Краткое описание  конструкции и основных характеристик  приборов, которые используются  для съёмки местности и камеральной обработки данных……………………………………………………………………..…………...60 

Заключение…………………………………………………………………………....65   

Список литературы…………………………………………………………….….......67  

Приложение  А Каталог координат и высот точек съёмочного обоснования ……………………………………………………………………………………….….69

Приложение  Б  Фрагмент топографического плана ….. ………………...…..70 

Приложение В Сводная таблица характеристик современных электронных тахеометров …………………………………………………………………………...71

Приложение  Г Сводная таблица характеристик современных GPSприемников……………………………………………………………………….74

 

 

Введение

 

    

За последние  десятилетия, благодаря, научно-техническому прогрессу наш мир значительно изменился. Вместе с ним так же меняется и развивается геодезия.

Сегодня рынок  геодезического оборудования предлагает нам все более усовершенствованные  приборы, которые на порядок увеличивают  скорость работы, а так же обеспечивают наибольшее качество и максимальную точность. Соответственно, с их появлением могут меняться технологии и методы проведения геодезических работ.

Цель данного  проекта -  создание крупномасштабного  топографического плана при использовании  наиболее рационального способа   и проведение топографических работ, при использовании современных технологий, не требующих большой траты времени и сил. При работе со старым оборудованием и, руководствуясь  устаревшими технологиями, от исполнителя потребуется более кропотливая работа. При этом обеспечить правильность и точность выполнения работ будет намного сложнее. В этом и состоит необходимость и актуальность данного курсового проекта в нашем учебном процессе.

Чтобы создать план по всем предъявляемым требованиям, необходимо ознакомиться с инструкцией по топографической съемке в масштабе 1:2000, с обоснованием технологии выполнения полевых и камеральных работ, также необходимо рассмотреть новейшие технологии и программное обеспечение, с помощью которых мы реализуем свою цель.

 В первом  разделе работы изучены требования, предъявляемые к содержанию и  точности топографических планов  масштаба 1:2000. Знание информации  из этого раздела позволит  нам создать изображение рельефа  и ситуации местности в соответствии  с ГОСТом для соответствующего масштаба.

 Во втором  разделе дается обоснование рациональных  методов и технических средств, при помощи которых целесообразно выполнить сгущение планово-высотного обоснования, съемку элементов ситуации и рельефа и камеральную обработку данных. Также рассмотрены методы, основанные на использовании GPS оборудования и электронных тахеометров. Представлен обзор современного программного обеспечения, дающего возможности для обработки данных и составления топографических планов.

      В третьем разделе представлена последовательность действий  по обработке данных и составлению фрагмента топографического плана застроенной территории в предложенном программном пакете.

      В четвертом разделе содержится  информация об основных характеристиках  оборудования, применяемого для съёмки местности и последующей обработки данных.

      В заключении сделаны соответствующие  выводы по проделанной работе, а также представлены приложения: фрагмент топографического плана  масштаба        1: 2000 и каталог координат и высот точек съёмочного обоснования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ  требований, предъявляемый к содержанию  и точности топографических планов масштаба 1:2000

 

 

     Для  топографических планов любых  масштабов существуют определённые  требования по их составлению,  которые нам как будущим инженерам, умеющим ставить и решать инженерно-технические задачи, необходимо знать.

     Съемке  и отображению на топографических  планах подлежат все объекты  и участки местности, предусмотренные  для конкретных масштабов действующими условными знаками. В соответствии с «Инструкцией по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500»[1] на плане масштаба 1:2000 должны наноситься такие объекты, как:

  • опорные пункты: пункты триангуляции, полигонометрии, трилатерации, реперы нивелирования, пункты съёмочного обоснования, закреплённые на местности. Эти объекты наносятся на план по координатам: на незастроенных территориях - все опорные пункты с их высотами, а на застроенных - в зависимости от нагрузки плана;
  • здания, постройки жилые и нежилые с указанием их назначения, материала (для огнестойких) и этажности. Постройки, выражающиеся в масштабе плана, изображают по контурам и габаритам их цоколей. Архитектурные выступы и уступы зданий и сооружений отображаются, если величина их на плане 0,5 мм и более.
  • промышленные объекты: комплексы строений и сооружений заводов, фабрик, электростанций, шахт, карьеров, торфоразработок и т.д.; нефтяные вышки, склады добытых ископаемых;
  • объекты гидротехнические и водного транспорта: каналы, канавы, водоводы и водораспределительные устройства, плотины, набережные, пристани, молы, маяки, навигационные знаки и др.;
  • объекты водоснабжения: колодцы, колонки, резервуары, отстойники, естественные источники и др.;
  • гидрография: береговые линии морей, озёр, рек, ручьёв с указанием на плане отметок урезов воды рек, ручьёв и с датой их определения, площади разливов, приливно-отливные полосы, берега различных типов и т.д.;
  • растительность: древесная, кустарниковая, травяная: участки, занятые выгоном, лугом, питомниками, садами, виноградниками, ягодниками, плантациями технических культур, рисовыми полями и др. При съёмке леса определяют и показывают на плане породу леса, среднюю высоту деревьев, толщину их на высоте груди; выделяют контуры вырубок, гарей, поляны сельскохозяйственных угодий, находящихся среди леса. Наименьшая площадь контуров, изображаемая на планах для хозяйственно - ценных участков, равна 20 мм, а для участков, не имеющих хозяйственного значения - 50 мм;
  • линии электропередачи и связи - телефон, телеграф и электросети (снимаются и показываются все опоры и поворотные столбы);
  • линии подземных коммуникаций - водопровод, канализация, газификация, теплосети, электрокабели и др.;
  • железные, шоссейные и грунтовые дороги всех видов и сооружения при них – мосты, туннели, переезды, переправы, путепроводы и т.п.;
  • столбы телефонных, телеграфных, электрических проводов; покрытие проезжих частей, улиц с указанием материала покрытия; канавы, лотки, решетки дождеприёмников, водостока, выходы подземных коммуникаций, люки смотровых колодцев водопровода, канализации, теплосети, газа, водостока, телефонной сети и других подземных инженерных сетей, объекты коммунального хозяйства;
  • границы: политико-административные, городские черты, полосы отвода железных, шоссейных и грунтовых дорог, территории энергетических установок общего пользования, высоковольтных передач, территории радиостанций, защитных зон и зон санитарной охраны и др.

Рельеф местности  изображают на топографических планах горизонталями, высотами и условными  знаками обрывов, скал, воронок, осыпей, оврагов, оползней, ледников и др. Формы микрорельефа отображаются полугоризонталями или вспомогательными горизонталями с отметками высот местности.

     На  топографических планах помещаются  собственные названия населенных  пунктов, улиц, железнодорожных станций, пристаней, лесов, песков, солончаков, вершин, перевалов, долин, балок, оврагов и других географических объектов.

    Средние  погрешности в положении на  плане предметов и контуров  местности с чёткими очертаниями  относительно ближайших точек съёмочного обоснования не должны превышать 0,5 мм, а в горных районах - 0,7 мм. На территории с капитальной и многоэтажной  застройкой погрешности во взаимном положении на плане близлежащих важных контуров не должны превышать 0,4 мм.

    Средние погрешности съёмки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования не должны превышать по высоте: 1/4 принятой высоты сечения рельефа при углах наклона до 2; 1/3 - при углах наклона от 2 до 6˚ и сечении рельефа 0,5 м.

    На  лесных участках допуски увеличиваются в 1,5 раза. В районе с углами наклона свыше 6 число горизонталей должно соответствовать разности высот, определённых на перегибах скатов, а средние погрешности высот, определённых на характерных точках рельефа, не должны превышать 1/3 принятой высоты сечения рельефа.

    Предельные  расхождения не должны превышать  удвоенных значений средних погрешностей  и не должны быть более 10% общего числа контрольных измерений.  

 

 

2 Обоснование  технологии выполнения полевых  и камеральных работ с кратким описанием основных процессов

 

 

      Для достижения поставленной  задачи, а именно составления  топографического плана, необходимо  проделать несколько этапов:

  1. ведение полевых работ с целью сгущения планово-высотного обоснования;
  2. ведение полевых работ с целью съемки элементов ситуации и рельефа;
  3. обработка полученных измерений средствами современного ПО.

      В данном разделе будут рассмотрены  современные способы ведения  геодезических работ, то есть  те методы, которыми руководствуются  в своей практике специалисты в настоящее время. Практика доказывает, что год от года всё больше геодезических фирм приобретают современные геодезические приборы. На данный момент это, прежде всего, электронные тахеометры и спутниковое GPS - оборудование. Естественно, это далеко не полный список, того "современного", что предлагается сейчас геодезистам для их работ, но именно электронные тахеометры и GPS заняли прочную нишу среди прочего геодезического оборудования.

      Появление этих точных, мобильных  приборов позволило пересмотреть значительную часть методик выполнения геодезических работ. В следующих подразделах работы представлены все методы съёмки, описаны причины выбора определённых технологий проведения полевых работ, а также рассмотрены методы сгущения съёмочного обоснования на базе государственной геодезической сети и приспособления, применяемые для этого.

 

 

2.1 Обоснование  оптимальной технологии ведения  полевых работ с целью сгущения  планово-высотного обоснования

 

 

      В данном разделе работы отражены основные понятия и принципы спутниковой технологии и её применения для решения задач крупномасштабных топографических съёмок. Рассмотрены методы сгущения съёмочного обоснования на базе государственной геодезической сети и приспособления, применяемые для этого.

Проектирование  съемочного обоснования должно производиться  с учетом требований настоящей Инструкции в зависимости от масштаба и метода предстоящей съемки. При этом должны быть также учтены специальные требования к геодезическим сетям проектных и других организаций. Основой для проектирования должны служить: сбор и анализ сведений и материалов обо всех ранее выполненных геодезических работах на объекте съемки; изучение района предстоящих работ по имеющимся картам наиболее крупного масштаба и литературным источникам; изучение материалов проведенного специального обследования района работ, включающее обследование и инструментальный поиск геодезических знаков ранее выполненных работ; выбор наиболее целесообразного варианта развития геодезических построений с учетом перспективы развития территорий.

      Геодезической основой при создании  съемочного обоснования, а также  при съёмке ситуации и рельефа,  могут служить следующие геодезические  построения:

  • Государственные Геодезические Сети (ГГС):

· триангуляция и полигонометрия 1,2,3 и 4 классов;

· государственная  нивелирная сеть 1,2,3 и 4 классов;

· фундаментальная  астрономо-геодезическая сеть (ФАГС);

· высокоточная геодезическая сеть (ВГС);

· спутниковая  геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)).

  • Геодезические сети сгущения (триангуляция 1 и 2 разрядов, полигонометрия 1 и 2 разрядов; техническое нивелирование)
  • Съёмочное обоснование (плановые и планово-высотные съёмочные сети или отдельные пункты (точки))[2].        

    В соответствии с «Инструкцией по топографическим съемкам в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500» сети сгущения проектируются таким образом, чтобы плотность геодезической основы была доведена развитием геодезических сетей сгущения в городах и прочих населенных пунктах не менее чем 4 пунктов триангуляции и полигонометрии на 1  км2 в застроенной части и 1 пункта на 1  км2 на незастроенной территории.

Предельные  погрешности положения пунктов  планового съемочного обоснования, относительно пунктов государственной  геодезической сети не должны превышать на открытой местности и на застроенной территории 0,2 мм в масштабе карты или плана и 0,3 мм - при крупномасштабной съемке на местности, закрытой древесной и кустарниковой растительностью.

Пункты съемочного обоснования закрепляют на местности долговременными знаками с таким расчетом, чтобы на каждом съемочном планшете, как правило, имелось не менее двух точек при съемке в масштабе 1:2000, включая пункты государственной геодезической сети и сетей сгущения (если технические условия заказчика в техническом проекте не требуют большей плотности закрепления).

На территории населенных пунктов и промышленных площадок все точки съемочного обоснования  закрепляют знаками долговременного  закрепления[3].

     Сети сгущения могут представлять собой систему треугольников называемую микротриангуляцией, либо систему  полигонов, (теодолитные хода, замкнутые и разомкнутые, опирающиеся на один или два пункта полигонометрии). Не зависимо от вида съёмочного обоснования, способы измерения координат пунктов для них одинаковы. Опираясь на базисные стороны и пункты опорной сети, координаты которых известны, привязка планово-высотного обоснования выполняется:

  1) определением  примычного угла между стороной  опорной сети и сети сгущения;

  2) способом прямой и обратной угловой засечки.

      В настоящее время для сгущения  планово-высотного обоснования целесообразнее  и намного эффективнее применять  методы, основанные на использовании GPS-оборудования.

      GPS (англ.  Global Positioning System) — обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет определять направление и скорость движения объектов, определять координаты при помощи специальных приёмников. Причём делают они это при любой погоде, и в любое время суток.

      В настоящее время работают  или готовятся к развертыванию  следующие системы спутниковой  навигации:

 

1)NAVSTAR(GPS) более известна под названием GPS. Принадлежит министерству обороны США. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система. Главенствующее положение она занимает благодаря непрерывной модернизации.

Например, команда разработчиков компании Lockheed Martin, специализирующаяся в области авиастроения, авиакосмической техники, судостроения, автоматизации почтовых служб и аэропортовой логистики и др., сообщила о завершении тепловых испытаний в вакууме для навигационных элементов одного из тестовых наземных стендов GPS III (GNST).  
     Программа GPS III предусматривает замену устаревших спутников группировки GPS для удовлетворения возросших требований гражданских, корпоративных и военных пользователей системы.  
Испытания являются частью программы тестирования оборудования на соответствие заложенным в проект требованиям.  
Стенд GNST представляет собой полноразмерный прототип спутника GPS III. Использование таких прототипов позволяет значительно снизить риски и издержки разработки навигационного оборудования, производить быструю отладку и вносить иные необходимые изменения.  
По контракту с ВВС США компания Lockheed Martin должна поставить 4 первых спутника GPS III. Всего ВВС США намерены закупить до 32 подобных спутников[4].

 

      Так же спутник известный как FM3, 01.12.12 начал транслировать сигналы в частотном диапазоне Е1, который используется для интеграции с GPS. А 04.12.12 также были переданы сигналы в диапазонах Е5 и Е6.  
В Реду (Бельгия) расположена станция, построенная специально для тестирования спутника FM3. На ней установлены 15-метровая антенна S-диапазона для отправки запросов и получения сигналов со спутника, а также 20-метровая спутниковая тарелка L-диапазона для отслеживания формы и качества навигационных сигналов при высоком разрешении. Данные поступают также из центров, расположенных в Германии под Мюнхеном (Oberpfaffenhofen Control Centre) и Италии в Фучино (Galileo Mission Control Centre)[5].

 

      И наконец, экспериментальный GPS-приемник компании Surrey Satellite Technology Limited (SSTL), смог успешно определить местоположение на высоте 23300 километров. Приемник SGR-GEO собирает данные, которые помогут SSTL разработать приемник для навигации космических кораблей на геостационарной орбите (GEO) или даже в дальнем космосе.  
Система GPS, использующаяся на спутниках низкой околоземной орбиты, позволяет определять орбитальное положение и является источником синхронизации времени для спутников. Космический корабль на орбите выше группы GPS-спутников может принимать лишь небольшое количество сигналов, распространяющихся с дальней стороны Земли.  
При поддержке Европейского космического агентства (ESA) и программы ARTES 4 компания SSTL разместила приемник SGR-GEO на спутнике GIOVE-A, чтобы доказать то, что он сможет определить местоположение и на более высоких орбитах. SGR-GEO сконструирован на основе приемников серии SGR, разработанной компанией SSTL, и оснащен антенной с высоким коэффициентом усиления и высокоточным термостатированным тактовым генератором[6].

 
2)ГЛОНАСС принадлежит министерству обороны России. Находится на этапе повторного развёртывания спутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной группировки спутников, запущенных в СССР, было в 1993—1995 гг.). Используется как вспомогательная система, улучшающая результаты GPS позиционирования в областях с закрытыми участками неба (в условиях плотной городской застройки) и в приполярных широтах.  
Основой системы являются 24 спутника, движущиеся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность.

      В 2013г запланирован запуск на орбиту спутника "ГЛОНАСС-К", модели космических аппаратов, которые должны придти на смену работающим КА "ГЛОНАСС-М[7].

 

3)GALILEO - европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

    Четвертый спутник Galileo FM4 был запущен 12.10.12 совместно с FM3. Сейчас они переводятся на свои рабочие орбиты: на одно расстояние от Земли, но в разные орбитальные плоскости по отношению к первым двум спутникам, что обеспечит максимальную зону покрытия сигналом[5].

 

4)БЕЙДОУ, развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите. 

5)IRNSS - индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки.

 

      При создании съёмочного обоснования с применением спутниковой технологии геодезические сети сгущения, как правило, вновь не создают, а используют имеющиеся государственные геодезические сети.

      Пункты GPS заложены долговременно, с учетом взаимной видимости между смежными пунктами. Если видимость отсутствует, то закладываются временные пункты – пара на максимальном расстоянии не менее 500 м. Расстояние между пунктами GPS от 2 до 5 км[3].

      Любая спутниковая навигационная система делится на три сегмента: пользовательский, контрольный и космический сегменты.

      К пользовательскому сегменту относятся специализированные GNSS приемники, которые делятся на три группы: для задач ГИС, геодезические и навигационные. Точность обработки данных с этих приёмников рассчитывается за счёт метода дифференциальной коррекции.

      Главный центр управления, основная станция управления и станции слежения относятся к контрольному сегменту. Метеорологическое зондирование атмосферы и постоянный приём сигналов от спутников осуществляют станции управления, чтобы впоследствии определить искомое расстояние.

      Главный центр управления принимает результаты обработки сигналов и передаёт их на спутники, которые в свою очередь отправляют их на GNSS приемники пользователей. Корректировка орбит спутников осуществляется в станции управления.

     В последний космический сегмент входят спутники, которые вращаются вокруг Земли. Благодаря правильному расчёту орбит спутников, в любое время и в любом месте планеты можно постоянно наблюдать не менее четырёх спутников. Они служат для определения широты, долготы и высоты, то есть – пространственных координат.

       Методы определения местоположений с помощью GPS можно разделить на абсолютные и относительные. В результате применения абсолютного метода координаты пользователя определяются в общеземной системе координат в лучшем случае с ошибкой 1 м.

     Для геодезических работ, включая и топографическую съемку, применяют относительный метод, для которого необходимо иметь не менее двух спутниковых приемников. Один из них устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), другой (или другие) – на точках, координаты которых определяются. Наблюдая в течение некоторого времени одновременно с двух станций одни и те же спутники, можно получить приращения координат относительно базовой станции с ошибкой 0,5 – 2,0 см.

     Точность относительных определений зависит в основном от времени наблюдений, поэтому различают три основные методики: статическую, кинематическую и динамическую.

      Окончательная обработка результатов измерений производится на персональном компьютере по специальной программе.

     Определение положения пунктов при работе с приемником спутниковых сигналов возможно в различных технологических последовательностях. Изложим две из них: статический метод и метод «Стой – Иди» (псевдокинематический).

      Статический метод (Static Positioning). Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). Работа на станции начинается с установки антенны. Штатив, на котором устанавливается антенна, должен быть надежно закреплен для обеспечения неизменности высоты антенны во время измерений. Центрирование и нивелирование антенны выполняется оптическим центриром с точностью ±2 мм. При наличии ориентирных стрелок (меток) антенна ориентируется на север.

Применение современных геодезических технологий для создания крупномасштабных топографических планов