Крупномасштабные топографические съемки

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ  ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ СЪЁМКИ.

1Виды и масштабы  топографических съёмок.

Топографическая карта - построенное в картографической проекции, уменьшенное, обобщённое изображение земной поверхности, позволяющее определять как плановое, так и высотное положение точек.

Государственные топографические  карты нашей страны издаются в  масштабах 1:1 000 000 и крупнее.

Топографический план – картографическое изображение на плоскости в ОРТОГОНАЛЬНОЙ проекции в крупном масштабе ограниченного участка местности, в пределах которого КРИВИЗНА уровенной поверхности не учитывается.

При создании топографических  карт применяется КОНФОРМНАЯ проекция Гаусса эллипсоида на плоскости. (Конформный – подобный). Основные свойства конформного изображения:

- бесконечно малый  контур на эллипсоиде изображают подобным ему на плоскости;

- углы передаются на плоскость без искажения;

-масштаб изображения  в каждой точке зависит только  от её координат и не зависит  от направления.

Перечисленные свойства наряду с простотой учёта искажений  имеет принятая в 1928г в РОССИИ система плоских прямоугольных координат в проекции ГАУССА – КРЮГЕРА. Эту проекцию Гаусс предложил и обосновал в 1825-1830гг, а в 1912г Крюгер дал рабочие формулы для вычисления в этой проекции, поэтому её называют проекцией ГАУССА-КРЮГЕРА.

При использовании проекции Гаусса земной эллипсоид разделяется на зоны меридианами. Протяжённость зон по долготе для создания топографических карт в масштабах 1:10 000 и мельче принимают равной 6°, а для карт в масштабах 1: 5000 и 1:2000 она равна 3° (трёхградусная зона).

 Топографические планы  в масштабах 1: 1000 и 1: 500 всегда создаются в ортогональной проекции.

 На небольших участках  земной поверхности при создании  топографических планов масштабов  1:5 000   и  1:2 000 может также применяться ортогональная проекция.

Высоты точек при  создании топографических карт и  планов определяются в абсолютной Балтийской системе высот 1977 года от нуля Кронштадтского футштока.

Топографические карты  и планы создают при помощи топографических съёмок.

Съёмкой называют процесс геодезических измерений на местности, выполняемых для составления карт и планов.

Топографические съёмки на территории нашей страны выполняются в масштабах 1:25000, 1:10000, 1: 5000, 1:2000, 1:1000 , 1:500 и 1:200. Последние 5 масштабов являются крупномасштабными.

Различают следующие  виды топографической съёмки:

-горизонтальная;

-высотная (вертикальная);

-мензульная ;

-тахеометрическая;

-нивелирование поверхности;

-наземная фототопографическая;

-стереотопографическая;

-комбинированная аэрофототопографическая;

-с использованием  спутниковой геодезической аппаратуры (приёмники GPS);

- наземное и воздушное  лазерное сканирование.

Основным методом государственного картографирования является аэрофототопографический.

Мензульная  съёмка

С 1935 года наиболее широко применяемым, вследствие удобства работы, наличия контроля, наглядности и пр., являлась мензульная съемка. С течением времени она постепенно утратила своё значение, а в настоящее время потеряла свою актуальность в связи с появлением новых приборов.

В настоящее время МЕНЗУЛЬНАЯ съёмка применяется в редких случаях, когда другие виды съёмок технически невозможны. Как правило, её применяют для съёмки крупного масштаба застроенной территории.

Мензульная съемка выполняется  на чертежных основах, изготовленных из прозрачных малодеформирующихся пластиков или из высококачественной чертежной бумаги, наклеенной на алюминий или авиационную фанеру.

Съемка рельефа и  контуров производится с помощью  мензулы и номограммных кипрегелей  и других приборов, их заменяющих.

В настоящее время  создана новая серия электронных  кипрегелей.

Тахеометрическая  съёмка

Тахеометрическая  съемка, дающая возможность получить рельефный и контурный планы, является рентабельной в случае применения ее в условиях короткого полевого периода или мало благоприятных для съемки климатических условий. Она чаще всего ставится при съемке узких и длинных полос (инженерно-изыскательские работы). Главным недостатком тахеометрической съемки является зарисовка рельефа и составление контурного плана камеральным путем, что в результате дает менее точный рельефный план, чем при мензульной съемке.

Тахеометрическая съемка может быть поставлена самостоятельно или в комбинировании с другими  методами работ.

Во избежание промахов и пропусков в изображении рельефа и ситуации, тахеометрическая съемка должна быть поставлена так, чтобы, одновременно с полевыми работами была организована и камеральная обработка данных. Одним из основных результатов научно – технического прогресса в области топографо-геодезических работ является появление автоматизированных технологий сбора, обработки и интерпретации информации об объектах топографической съемки. В настоящее время с появлением персональных компьютеров работа с геодезическими данными упростилась.

Тахеометрическую съемку целесообразно выполнять электронными тахеометрами (ЭТ), позволяющими автоматически получать превышение и горизонтальные проложения.

Современные ЭТ представляют сочетание светодальномера, кодового теодолита, микроЭВМ, а также регистратора информации, необходимого для автоматической записи результатов измерений. Программное обеспечение ЭТ позволяет решать целый ряд типовых задач, а именно:

- угловые и линейно-угловые засечки;

 - уравнивание измеренных величин на станции;

- оценку точности результатов измерений и др.

Электронный тахеометр  устанавливают на станции, а на пикетах  ставят специальную вешку с отражателем, при наведении на нее автоматически определяется расстояние, горизонтальный и вертикальный углы.

Микро ЭВМ тахеометра по результатам измерений вычисляет приращение координат и превышение с учетом всех поправок. Результаты измерений могут вводится в специальное запоминающее устройство (накопитель информации), из которого информация поступает на ЭВМ, и по специальной программе выполняется построение цифровой модели местности или топографического плана. Графическое изображение топографического плана может быть выполнено графопостроителем, соединённым с ЭВМ.

Горизонтальная  съёмка

ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ съёмка застроенных территорий в масштабах 1:2000-1:5000 выполняется самостоятельно или в сочетании с высотной съёмкой способами: полярным, створов, графоаналитическим, засечек, перпендикуляров.

Наземную топографическую  съёмку следует производить в случаях, 
когда применение аэрофототопографической съёмки экономически нецелесообразно или не обеспечивает требуемой точности составления планов.

Стереотопографическая съёмка

Стереотопографический способ создания крупномасштабных планов применяют для открытых, незаселенных участков местности, а также  для застроенных территорий с одноэтажной или многоэтажной рассредоточенной застройкой. Сущность стереотопографического способа заключается в создании контурной части плана на основе материалов аэрофотосъемки и в рисовке рельефа, выполняемого в камеральных условиях на универсальных стереофотограмметрических приборах.

Достоинство стереотопографического способа является автоматизация  целого ряда сложных процессов с использованием ЭВМ.

Комбинированная съёмка

 Комбинированный способ  создания планов применяют для заселенных участков местности,  городских территорий и поселков с плотной многоэтажной застройкой. При комбинированном способе контурную часто плана создают на основе материалов аэрофотосъемки, а дешифрирование участка и рисовку рельефа выполняют на фотопланах, непосредственно на местности обычными способами. Таким образом, комбинированная съемка является сочетанием аэрофотосъемки с приемами наземной  (мензульной) съемки.

Преимущество комбинированного способа создания планов заключается  в лучшем отображении формы рельефа в равнинных районах. В то же время недостатком этого способа является относительно большой объем полевых работ.

Наземная фототопографическая съемка

Этот вид съёмки применяется  как самостоятельный в горных районах, так и в сочетании  с аэротопографической – в горных районах и городах.

Наземная фототопографическая  съемка (фототеодолитная) съемка применяется, как правило, в высокогорной и горной, преимущественно открытой местности со сложными формами рельефа и, в особых случаях, в равнинных районах для инженерных изысканий.

Перед началам работ  составляется проект наземной фототопографической съемки. Составление проекта заключается в размещении на карте основных фотостанций, разработке способов их геодезической привязки, определении кратности перекрытий снимаемой территории с различных фотостанций, определении необходимой густоты контрольных точек. Проект должен учитывать способы фотограмметрического сгущения опорной сети и составления оригинала плана, предусматривать методы съемки «мертвых пространств».

Наземное лазерное сканирование

Наземное лазерное сканирование новейший способ создания топографического съемки. По составу полевых работ более всего напоминает традиционную фототеодолитную съемку. Но это только на первый взгляд. Высочайшая степень автоматизации измерений, компьютеризация всех этапов работ делает новый метод более производительным и эффективным. Наземное лазерное сканирование имеет меньшие временные и материальные затраты на обработку результатов, получения трехмерной модели (3D) объекта с более высокой точностью на основе измеренных величин. Конечным результатом является облако точек (пространственный растр) или 3D – модель объекта.

Главным условием получения  облака точек является проведение работ  по наземному сканированию, а также камеральные работы по фильтрации, дешифрированию, классификации и векторизации массива точек лазерных отражений. Трехмерные модели, совмещенные с топопланом, могут быть представлены в виде цифрового векторного плана масштаба 1:500 в программе, поддерживающей подобное представление данных (AutoCAD, MapInfo, Microstation, Credo и др.).

Продукция в трехмерном отражении реального состояния  объекта позволяет использовать его для решения следующих задач:

• определения любых геометрических параметров технологических элементов и инженерных конструкций (расстояний, размеров, высот и т. п.);
• построения профилей, сечений и разрезов;
• построения планов объекта;
• мониторинга состояния объектов и технологического оборудования.

Фотопанорамы формируются  по данным панорамной фотосъемки, различной технической и иной документации в различных форматах (jpg, avi, mp3 и др.).

Панорамные фотосхемы  позволяют передвигаться по объекту  работ путем перемещения между  станциями съемки. Каждая станция  представляет собой цилиндрические или сферические закольцованные фотоизображения со ссылками на топографический план или модель.

При объединении нескольких фотопанорам создаются VP – туры. Эти продукты создаются по цифровым фотоснимкам высокого размещения и позволяют получить полноценную визуальную информацию.

Воздушное лазерное сканирование

 Воздушное лазерное  сканирование - это топографо –  геодезическая технология для  сбора геопространственных данных  по рельефу и наземным объектам. Основой метода является лазерный сканер – лидар, базирующийся на воздушном судне.

Основная функция лазера – генерация импульсного или  непрерывного излучения, которое, отражаясь от поверхности земли или наземных объектов, может быть использован для измерения дальности от источника излучения до объекта, вызвавшего отражение.

Работа навигационного блока воздушного лазерного сканера  основана на взаимодействии систем спутниковых  навигаций (GPS/ГЛОНАСС) и инерциальной системы в режиме реального времени.

Лазерно – локационные  данные могут быть представлены в  двух формах:

• лазерно – локационное изображение в дальномерной форме. Дальномерная форма представления лазерно – локационного изображения соответствует распределению в заданном координатном пространстве трехмерного облака лазерных точек образует пространственный образ объекта съемки, который доступен визуальному анализу, проведению пространственных измерений и применения вычислительных методов геоморфологического анализа;
• лазерно – локационное изображение в форме интенсивности. Современные сканеры (лидары) способны регистрировать кроме пространственных координат еще и энергию импульса отражения (интенсивность отражения I). Лазерно – локационное изображение в форме интенсивности, по своим информационным свойствам близко к естественным черно – белым фотографиям (аэрофотоснимкам в случае воздушного применения), что позволяет успешно использовать их для целей визуального распознавания объектов и камерального дешифрирования даже без привлечения традиционных аэрофотосъемочных данных.

Каждое измерение производится в определенный момент времени, следовательно, еще одной координатой может служить значение t – время регистрации лазерной точки.

Таким образом, выходным материалом воздушного лазерного сканирования является облако точек, каждая точка которого обладает пятью координатами:

• три пространственных – X, Y, Z;
• интенсивностью I;
• время регистрации t.

Спутниковая технология создания топографических карт и планов

При съемках масштабов1:5000 – 1:500 спутниковая технология может  быть применена как для развития съемочного обоснования, так и для съемки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5,0; 2,5; 2,0; 1,0; 0,5 м.

Отечественная глобальная навигационная спутниковая система  ГЛОНАСС включает 24 спутника, находящиеся  на высоте 19100 км. Глобальная навигационная спутниковая система США GPS включает 21 рабочий и 3 резервных спутника, находящиеся на высоте 20000 км. Аппаратура для приема спутниковых радиосигналов (спутниковый приемник) состоит из следующих функциональных элементов:

• антенны:
• блока приема радиосигналов;
• микропроцессора;
• блока управления;
• блока индикации с дисплеем;
• запоминающего устройства;
• устройства связи с внешними ЭВМ;
• блока питания.

Клавиатура блока управления и дисплей является органами управления приемника.

При спутниковой технология съёмки плановое и высотное положение пикетов определяют с точностью до 2-3см с помощью высокотехнологического оборудования. С помощью спутниковой антенны принимаются сигналы с искусственных спутников Земли. В околоземном пространстве развёрнута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно покрывающих всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника.

Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимают GPS – приёмником, установленным в некоторой точке земной поверхности, координаты которой надо определить.

 В приёмнике измеряется  время распространения сигнала  от ИСЗ и вычисляется дальность «спутник- приёмник». Для определения координат X,Y и Н точки земной поверхности, в приёмнике должны быть измерены расстояния до 3х различных ИСЗ.

Для выполнения необходимых  навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с  неё как минимум, 4х спутников. 

А в любой точке  земли может быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени.

 Современные GPS имеют от 5-12 каналов, то есть могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (более 4х) позволяют повысить точность определения координат.

Для развития съемочного обоснования с использованием спутниковой технологии, в зависимости от проектируемого масштаба съемки и высоты сечения рельефа, следует применять один из двух методов:

• метод построения сети;
• метод определения висячих пунктов.

Метод развития съемочного обоснования построением сети рекомендован к применению для получения наиболее точных плановых координат и высот пунктов, необходимых при производстве съемок наиболее крупных масштабов со всеми значениями высоты сечения рельефа (от 0,5 м до 5 м).

Метод развития съемочного обоснования определением висячих пунктов рекомендовано применять при подготовке съемочной геодезической основы относительно мелких масштабов с высотами сечения рельефа 1 м, 2 м и более, то есть в тех случаях, когда не требуется получение материалов высокой точности.

Различают следующие  режимы съёмки:

а)  дифференциальный способ

Его суть состоит в  выполнении измерений двумя приёмниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой – в точке с известными координатами или базовой (контрольной) станции.

В режиме DGPS ( Differential GPS )  измеряют не абсолютные координаты первого приёмника, а его положение относительно базового. В этом случае точность кодовых измерений (кодовым приёмником) можно довести до десятков см., а фазовых (одночастотными, двухчастотными фазовыми приёмниками) до единиц миллиметров. (Фазовые двухчастотные приёмники отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью).

В геодезии нашли применение исключительно дифференциальные методы GPS – измерений, так как только с их использованием возможно определение координат точек местности с требуемой точностью.

Методы измерений:

1) статический метод

В ЭТОМ СЛУЧАЕ приёмники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приёмник и приёмник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение от 15 минут до 3 часов. После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приёмником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

Точность при фазовых наблюдениях для двухчастотных приёмников:

- в плане: 5мм + 1мм/км D;

- по высоте: 10мм + 1мм/кмD;

для одночастотных приёмников:

        -в плане: 5мм + 1мм/кмD;

       -по высоте: 10мм + 2мм/кмD/

Используется для:

- решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей;

- мониторинга тектонических движений земной поверхности;

- наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и других сооружений;

Из – за сравнительно невысокой оперативности выполнения работ может применен в тех  случаях, когда при высоте сечения  рельефа 0,5 м технико – экономически целесообразно для получения  высотной съемочной основы  проводить  не нивелирные работы, а спутниковые определения;

2) псевдостатический метод

Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съёмки. Один приёмник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приёмник после наблюдений в течение 5-10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5-10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д.

Каждый определяемый пункт необходимо посетить ещё раз на 5 минут через 1 час после первого посещения.

Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдения могут быть использованы как одночастотные так и двухчастотные приёмники.

Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное определение координат большого количества точек. Недостаток – необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

3) БЫСТРОСТАТИЧЕСКИЙ  МЕТОД

Этот метод значительно  позволил увеличить производительность GPS съёмки. Отличие от псевдостатического в том, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов ( 5-10 минут, в зависимости от расстояния между опорными и определяемыми пунктами). Быстростатический метод при производстве работ по развитию съёмочного обоснования является основным. Он позволяет производить определение координат(х,y и H) с высокой точностью и высокой оперативностью для большей части масштабного ряда и высот сечения рельефа;

4) КИНЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД

Существуют ещё кинематический метод «стой-иди». Метод требует  выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз.

После этого опорный приёмник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приёмник перевозится ( во включённом состоянии) на 1ый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту, затем он посещает все остальные определяемые пункты ( лишь по 1 разу).

 Этот метод эффективен  при выполнении топографической  съёмки, когда за короткий период  необходимо определить координаты  большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, съёмки трубопроводов, дорог и т.д.

ТОЧНОСТЬ:

- двухчастотные приёмники:

а) в плане- 20мм + 1 мм/кмD

б) по высоте – 20мм + 2мм/кмD;

-одночастотные приёмники:

а) в плане- 20мм + 2 мм/кмD

б) по высоте – 20мм + 3мм/кмD.

5) КИНЕМАТИЧЕСКИЙ RTK( в режиме реального времени)

При съёмке в режиме реального  времени (RTK) погрешность определения положения точки равна 10мм +  1мм/км ( в плане) и 20мм + 2мм/км ( по высоте).

              6) реоккупация – метод, при котором наблюдения подвижной станции на точку выполняют двумя приемами продолжительностью не менее 10 минут каждый с интервалом между выполнением приемов от 1 до 4 часов. Приемы должны быть выполнены одним и тем же приемником. Он заменяет быстрый статический метод в тех случаях, когда по условиям проведения работ выгодно осуществлять два кратковременных приема наблюдений спутников, разнесенных во времени, вместо одного длительного приема;

В качестве исходных пунктов, от которых развивается съемочное обоснование следует использовать все пункты геодезической основы, находящиеся в пределах объекта и ближайшие к объекту за его пределами, но не менее 4 пунктов с известными плановыми координатами и не менее 5 пунктов с известными высотами, так чтобы обеспечить приведение съемочного обоснования в системе координат и высот пунктов геодезической основы.

           1 Виды топографических карт и планов

2 Назначение топографических  планов 

Виды топографических  карт и планов

В результате топографических  съёмок составляют топографические карты и планы, фотопланы, ортофотопланы, цифровые модели местности (ЦММ) и рельефа (ЦМР). Материалы наземной и  аэрокосмической съёмок местности служат основой для создания земельного и городского кадастров, а также для формирования геоинформационных систем (ГИС).

Инженерно-топографические  планы создаются на копиях (репродукциях) с фотопланов, изготовленных на жесткой основе; на малодеформируемых пластиках; на чертежной бумаге, наклеенной на жесткую основу.

Планы-оригиналы одноразового пользования небольших (до 1 км²) изолированных участков и узких полос на незастроенной территории допускается составлять на чертежной бумаге.

Цифровые инженерно-топографические  планы создаются на основе автоматизированных методов (передача информации с электронных накопителей геодезических приборов) или путем оцифровки графического изображения планов и последующей векторизации растровых файлов, полученных после сканирования планов.

Точность цифрового  инженерно-топографического плана  должна быть не ниже точности инженерно-топографического плана в графическом виде соответствующего масштаба. Информация цифрового инженерно-топографического плана должна соответствовать действующим условным знакам для топографических планов.

Новая форма представления  топографической информации в виде цифровых карт местности (ЦКМ) и цифровых планов местности (ЦПМ) привело к возникновению нового направления в топографии – цифрового картографирования. Цифровые карты и планы местности представляют записи картографической информации об объектах местности в цифровом виде, удовлетворяющем требованиям компьютерной обработки. Вместе с тем ЦК должны удовлетворять определённым требованиям, предъявляемым к обычным картам и планам по разграфке и номенклатуре, системам координат и высот. условным знакам и принятым масштабам. В отличии от традиционной карты ЦК содержит пространственную метрическую информацию об объектах. Это позволяет использовать ЦК для разного рода  расчётных работ с использованием ЭВМ.

Наряду с ЦК появилось  понятие «электронная карта» (ЭК). В отличии от ЦК в электронной карте содержится как пространственная, так и содержательная информация об объекте.

Процесс цифрового картографирования  состоит из следующих этапов работ:

- первичная обработка  топографо-геодезической информации. Она предусматривает вычисление координат опорных точек для съёмки, затем форматирование съёмочной информации по её принадлежности к объектам местности;

- создание ЦММ, содержащую  топографическую информацию в  упорядоченном виде;

- преобразование ЦММ  В цифровую карту в соответствии с требованиями к содержанию и оформлению.

 ЦК местности строится  с учётом условных знаков и  представлением рельефа не только в виде отметок точек, но и посредством горизонталей.

 Формирование ЦКМ  и ЦПМ выполняется в следующем  порядке:

- редакционные работы;

- подготовка исходных  картографических материалов к  цифрованию;