Технические средтва САПР

1
Лекция №2. Техническое обеспечение САПР-АД
2.1. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению
2.2. Техническое обеспечение САПР
2.3. Периферийные устройства
2.4. Локальные вычислительные сети
2.5. Технические средства сбора полевых данных
2.6. Приборы, используемые при проведении инженерно-геологических
изысканий
2.1. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению
Техническое обеспечение САПР – совокупность технических средств,
предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.
Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:
 выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых
имеется соответствующее программное обеспечение;
 взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;
 взаимодействие между членами коллектива, работающими над общим
проектом.
Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточной производительностью и емкостью памяти.
Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода/вывода данных и, прежде
всего, устройств обмена графической информацией.
Третье требование обусловливает объединение технических средств САПР
в вычислительную сеть.
2.2. Техническое обеспечение САПР
Основные функции технического обеспечения:

Вычислительные и логические операции,

Запись, поиск и обработки информации,

Выдача текстовой, табличной и графической документации.
Техническое обеспечение ПК - физические составные части вычислительной машины. Основными блоками современного персонального компьютера являются системный блок, клавиатура и монитор.
Системный блок содержит электронные
схемы для управления работой компьютера (микропроцессор, оперативную память и т.д.), блок
питания и накопители информации (внешнюю
память). Он является главным, в нем располагаются основные узлы ПК:
2
1.
Электронные схемы, управляющие работой ПК: микропроцессор
(схема, выполняющая все вычисления и обработку информации), оперативная
память (из нее процессор берет программы и данные, в нее же помещает результаты, там находится программа, которая выполняется в данный момент) и контроллеры устройств (адаптеры – схемы, управляющие работой внешних
устройств).
2.
Блок питания – преобразует электропитание сети в постоянный ток
низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы.
3.
Накопители для гибких дисков (дискет).
4.
Накопитель на жестком магнитном диске (Винчестер).
Основные характеристики микропроцессора – тип или модель, определяющие производительность (Intel-8088, 80286, 80386, 80486, Pentium), тактовая частота, которая определяет, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду (измеряется в мегагерцах).
Клавиатура используется для ввода информации (чисел, текста, программ,
команд) в компьютер.
Монитор (дисплей) служит для отображения вводимой информации и результатов расчета в текстовом или графическом виде.
К основному блоку ПК могут быть подключены различные периферийные
устройства ввода-вывода, которые значительно расширяют его функциональные
возможности.
2.3. Периферийные устройства
Периферийное оборудование включает в себя три группы устройств:
 устройства ввода и вывода информации, объединенные или связанные каналами связи с центральным процессором; мониторы; плоттеры; принтеры; сканеры; манипуляторы и т.д.
 устройства сбора, регистрации и обработки данных, не связанные с
центральным процессором или периодически подключаемые к нему;
аэро- и наземное стереосъемочное, стереофотограмметрическое оборудование; геодезическое оборудование для сбора топографической
или других видов информации о местности (электронные теодолиты,
электронные и компьютерные тахеометры, нивелиры, лазерные дальномеры, наземные устройства систем спутниковой связи GPS, геодезические лазерные сканеры и т.д.); инженерно-геологическое и геофизическое оборудование для инженерно-геологической разведки и
т.д.;
 обслуживающие устройства: хранилища, бумагорезательные, копировальные машины, переплетные мастерские и т.д.
Принтер - устройство для вывода информации на бумажные носители. В
настоящее время используются следующие типы принтеров: матричные, струйные и лазерные.
В матричных принтерах используется ударная техника печати за счет
прижатия к бумаге красящей ленты. В струйных принтерах изображение форми-
3
руется струйками чернил, подающихся через форсунку. В лазерных принтерах
используется принцип ксерографии. Изображение переносится на бумагу с помощью специального барабана, к которому притягиваются частицы красящего
порошка. Барабан электризуется лучом лазера по команде компьютера.
Печатающая головка матричного принтера
представляет собой матрицу или вертикальный ряд
тонких металлических стержней (иголок). Каждая
иголка управляется отдельно и движется самостоятельно. Головка движется вдоль строки, и иголки
ударяют по бумаге через красящую ленту. Так формируется изображение, которое представляет матрицу точек. Матричные принтеры дают возможность
печатать графики, чертежи, схемы, рисунки, символы и буквы различных начертаний. Разрешающая способность принтера определяется числом иголок в матрице. Существуют 9-, 18-, 24- и 48-игольные модели
принтеров. Чаще всего используются 9-игольные, они наиболее дешевые. Для повышения качества печати задают несколько проходов печатающей головки по
одной строке. Скорость печати от 100 до 500 символов в секунду.
Струйные принтеры работают за счет распыления на бумагу чернил специального состава и
работают практически бесшумно. Качество печати
приближается к типографскому, скорость печати
как у матричных принтеров. Периодически производится замена баллончика с чернилами.
Лазерные устройства отличаются высоким
качеством и широкими возможностями печати. Их
скорость измеряется страницами в минуту и для
недорогих моделей она составляет от 4 до 22
страниц, независимо от вида выводимой информации (текст или графическое изображение). Эти
принтеры дороги и сложны в обслуживании. В
принтерах данного вида для формирования изображения на бумаге используется свойство фоточувствительных материалов изменять поверхностный заряд в зависимости от степени освещенности. Основными элементами конструкции лазерного принтера являются: лазерный диод, вращающееся зеркало и фоточувствительный барабан. Изображение формируется по точкам. С помощью вращающегося зеркала свет от лазерного
диода направляется на определенные участки фоточувствительной поверхности,
и после множества коротких вспышек лазерного диода, соответствующих отдельным точкам, засвечиваются все заданные участки. После этого на печатающий барабан поступает красящий порошок – тонер, прилипающий к барабану в
4
тех местах, которые были освещены. По барабану прокатывается бумага, на которую переносится изображение тонером. Процесс завершается закреплением тонера путем прокатки бумаги разогретым валиком.
Лазерные принтеры отличает высокое качество печати, более высокая по
сравнению с матричными принтерами скорость печати, бесшумность.
Принтеры дают возможность выводить на печать графики, чертежи, схемы,
символы и буквы различных начертаний, что позволяет представлять в полном
объеме результаты автоматизированного проектирования в удобной для восприятия форме, а также оформлять все виды пояснительных записок, отчетов.
Манипулятор мышь (координатный манипулятор)является важнейшим средством ввода информации. В современных программных продуктах, имеющих сложную
графическую оболочку, мышь является основным инструментом управления программой.
По принципу действия мыши делятся на механические, оптико-механические и оптические.
Подавляющее число компьютерных мышек используют оптикомеханический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра.
Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных
друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары
(светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями.
Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет
направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов - скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.
Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая
мышь. Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшая сетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос.
Расположенные в нижней части мыши две оптопары освещают коврик и по числу
пересеченных при движении линий определяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют движущихся частей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещение курсора мыши
рывками из-за загрязнения шарика. Разрешающая способность применяемого в
мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch точек на
дюйм) и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.
Для оптимального функционирования мышь должна передвигаться по ровной поверхности. Лучше всего подходят специальные коврики (Mouse Pad). Указатель мыши передвигается по экрану синхронно с движением мыши по коврику.
Устройством ввода мыши являются кнопки (клавиши).
К основным тенденциям развития современных мышей можно отнести постепенный переход на шину USB, а также поиски в области эргономических усовершенствований. К ним можно отнести беспроводные (Cordless) мыши, работающие в радио- или инфракрасном диапазоне волн, а также мыши с дополнитель-
5
ными кнопками. Наиболее удачными решениями являются наличие между двумя
стандартными кнопками колесика (мышь Microsoft IntelliMouse) или качающейся
средней кнопки (мыши Genius NetMouse NetMouse Pro), которые используются
для быстрой прокрутки документа под Windows.
Графопостроители (плоттеры) - устройства, обеспечивающие графическое представление результатов проектирования в виде чертежей и схем. Необходимость использования этого устройства возникает при вычерчивании схем и
чертежей больших форматов (перспективные изображения, результаты решения
геодезических задач и т.д.).
Графопостроители (плоттеры) обеспечивают высококачественное графическое представление информации на бумаге, кальке, пленке. Графопостроители –
механические чертежные программно-управляемые
устройства, снабженные подвижной кареткой с закрепленными на ней специальными пишущими перьями. Пишущие элементы – фитильные (фломастеры),
шариковые или иконографические (трубчатые рейсфедеры, заправленные специальной тушью) элементы.
Многоперьевые графопостроители могут автоматически менять рабочее перо, что позволяет получать многоцветные изображения.
Устройства дорогие, но дешевле, чем цветные принтеры.
Конструктивно графопостроители делят на два класса – планшетные и рулонные.
В планшетных бумага закреплена неподвижно на плоской поверхности, перо перемещается в двух направлениях. В рулонных графопостроителях бумага
перемещается в продольном направлении (на барабане), а перо движется в одном
(поперечном) направлении.
Плоттеры второго класса более компактные и дешевые. Стандарт в области
плоттеров задает фирма Hewlett-Packard. Этой фирмой разработан графический
язык HPGL.
Наименее качественные чертежи получаются при работе с шариковыми узлами, более качественное изображение дают фитильные перья и трубчатые (керамические) пишущие узлы обеспечивают самое высокое качество чертежей.
Для подключения плоттера к ПК необходим специальный кабель, а в состав
программного обеспечения ПК должна быть включена программа-драйвер языка
HPGL. В настоящее время существует большое число графических пакетов, которые могут использовать плоттер.
Сканер - устройство для считывания с листаоригинала текстов, графических изображений. Программное обеспечение, ориентированное на работу со
сканерами, преобразовывает считанную информацию к
виду, пригодному для использования в текстовых редакторах или издательских системах.
6
Принцип действия устройства состоит в следующем: сканер освещает оригинал, светочувствительный датчик делает замеры интенсивности отраженного
света с определенной частотой (сканирует изображение). Чем выше частота замеров, тем выше разрешающая способность сканера. Значение интенсивности
отраженного света преобразуется в двоичный код, который и используется компьютером при последующей обработке.
Чем выше разрешающая способность сканера, тем большие ресурсы ПК
требуются для работы с ним. В настоящее время на мировом рынке представлено
не менее 150 видов сканеров производства фирм Европы, США, Японии и большой выбор программного обеспечения к ним.
В соответствии с функциональными возможностями и устройством сканеры
можно разделить на настольные и портативные (ручные). Они могут быть чернобелые и цветные.
По внешнему виду ручной сканер напоминает увеличенный манипулятор
мышь. Сканирование осуществляется путем перемещения вручную сканера по
поверхности оригинала. Качество изображения зависит от опыта оператора. Ширина полосы сканирования от 100 до 150 мм, программное обеспечение дает возможность «Склеивать» общее изображение из отдельных полос.
Настольные сканеры – устройства, которые позволяют считывать в автоматическом режиме стандартную страницу (формат А4) информации. Конструктивно они выполнены в виде планшета, похожего на множительный аппарат. Планшетные сканеры получили более широкое распространение.
Программное обеспечение позволяет распознавать символы, шрифты, обрабатывать тексты и графические изображения. При приобретении программного
обеспечения необходимо обращать внимание на совместимость форматов хранения информации, чтобы сканированное изображение можно было использовать
для работы с текстовым и графическим редакторами.
Средства связи – это устройства, обеспечивающие связь между компьютерами, а также между компьютерами и периферийными устройствами, телефонная, радио- и другие виды связи между пользователями и компьютерами, электронная почта и т.д.
При проведении поисковых исследований, анализе научно-технической
информации, для проектирования дорог и обмена результатами работы используются модемы и телефаксы. Эти устройства позволяют передавать информацию на большие расстояния от одного компьютера к другому.
Модем предназначен для передачи информации на
большие расстояния от одного компьютера к другому.
Слово модем происходит от двух слов: модуляция / демодуляция.
Принцип работы устройства заключается в следующем: модем принимает данные от ПК, разделяет их на команды и информацию. Команды выполняются, а информа-
7
ция преобразуется в сигнал и поступает в канал связи. На противоположном конце линии данные поступают из канала связи на другой модем, демодулируются в
цифровой сигнал и пересылаются в ПК.
Скорость передачи информации измеряется в Бодах (бит в секунду) и для
различных моделей составляет от 300 до 9600 бод. Правила обмена информацией
называются протоколом обмена. Пользователь их знать не обязан, их знают те,
кто устанавливает аппаратуру. Принимающий и передающий модемы должны
быть совместимы по протоколу обмена.
Телефакс используется для передачи копий документов. Устройство представляет собой блок, в который входят сканер (для считывания документов), передающий и принимающий модемы, принтер для распечатки бумажных копий документов. Для компьютерной телефаксной системы в состав устройства кроме
вышеназванных компонентов входи и ПК.
Источники бесперебойного питания. На
надежность работы ПК влияет стабильность сети
электропитания. Сбои в сети приводят к сбоям в
работе ПК, потере информации, выходу ПК из строя.
Для
этого ПК необходимо комплектовать стабилизаторами типа UPS (Uninterruptible Power Source). Он защищает от сбоев электропитания и позволяет закончить работу при внезапном полном отключении
питания (до 15 мин после выключения).
Открытая архитектура персонального компьютера в принципе позволяет
подключать к нему всевозможные приборы, используемые при проведении научных исследований и экспериментов для ввода результатов измерения в специальные файлы в памяти компьютера. Однако, это далеко не простая задача. Она может стать отдельным этапом экспериментальных исследований, на котором
необходимо решить задачу кодировки поступающих сигналов, преобразования
их в двоичный код, а также разработать программное обеспечение, позволяющее
переводить эту информацию в форму, пригодную для ее обработки с помощью
выбранных программных средств
2.4. Локальные вычислительные сети
В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от
другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах), объединяющая
компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС), или
LAN (Local Area Network), имеет линию связи, к которой подключаются все узлы
сети.
В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены
десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управ-
8
ленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких
зданий. Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд
ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства
входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами
передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или
транспортной), а вся сеть оказывается частью иерархической структуры.
Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные
расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть
по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN — Wide Area
Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи
данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы
передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания
или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением "последней мили".
Обычно создание выделенной магистральной сети, т. е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для этой организации слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т. е. фирмы, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри
корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через
магистральную сеть общего пользования. В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к
этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной
сети Internet.
Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является
желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников
собственной организации, но и для получения других информационных услуг.
Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с
необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet. Нужно, однако, отметить, что использование сетей общего пользования существенно усложняет задачу обеспечения информационной безопасности.
Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 3.
Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер. В сетях "клиент-сервер" выделяется один
или несколько узлов, называемых серверами, которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные
узлы (рабочие места) являются терминальными — их называют клиентами, в них
работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций. Но
если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то
тогда понятие "сервер" относится именно к узлу сети.
9
Сети "клиент-сервер" различают по характеру распределения функций
между серверами, — другими словами, их классифицируют по типам серверов.
Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверы баз данных АС, серверы приложений для решения конкретных
прикладных задач, коммутационные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например серверы электронной почты.
Локальные ВС имеют открытую архитектуру, обеспечивающую возможность подключения к сети любых других ЛВС, в том числе и крупных сетей
ЭВМ. Основное достоинство ЛВС — низкая стоимость системы передачи данных.
10
Локальные вычислительные сети САПР должны обеспечивать: использование режимов пакетной и диалоговой обработки, разделения времени, виртуальной памяти; экономичную обработку информации по принципу "наиболее важные процессы САПР выполняются техническими средствами с развитым программным обеспечением и высокой производительностью, наименее ответственные — на дешевых мини- и микро-ЭВМ"; высокую надежность и достоверность
функционирования, высокую производительность; применение разнообразного
проблемно-ориентированного ПО, централизованных и локальных БД с необходимым объемом памяти; работу с автоматизированными рабочими местами раз-
11
личного назначения и с другим специализированным оборудованием; централизованную и децентрализованную обработку информации.
Использование ЛВС позволяет создать САПР нового поколения, объединяющие контрольно-измерительные комплексы и места сбора информации с автоматизированными рабочими местами проектировщиков и т. д.
Основное назначение ЛВС — распределение ресурсов ЭВМ (программ, совокупности периферийных устройств, терминалов, памяти) для эффективного
решения задач автоматизированного проектирования.
Локальные вычислительные сети классифицируют:
 по топологическим признакам: иерархической, кольцевой и звездообразной конфигурации, конфигурации типа "общая шина";
 по методам управления ресурсами среды передачи данных: с детерминированным и случайным доступом к моноканалу;
 по программному обеспечению: с единой операционной поддержкой
и едиными методами теледоступа, ориентированными на конкретную
ЛВС и ЛВС с различными наборами тех и других компонентов операционной поддержки;
 по методу передачи данных: сети с коммутацией каналов, с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов, причем в современных ЛВС
характерно использование коммутации пакетов;
 по техническому обеспечению: гомогенные и гетерогенные ЛВС.
Любой компьютер, входящий в сеть, может работать как рабочая станция
сети, и в автономном режиме. Исключение составляет главная машины сети –
файл-сервер. Он имеет мощный процессор, большой винчестер для хранения информации. Кроме того, дорогостоящее периферийное оборудование (лазерные
принтеры, телефаксы, графопостроители) могут быть в коллективном пользовании (сетевые технические ресурсы).
2.5. Технические средства сбора полевых данных
В современной геодезии главными характеристиками являются: точность,
дальность и скорость измерений. Всем этим условиям отвечают современные
приборы для сбора геодезической информации о районе проектирования.
Независимо от того, каким методом выполняются геодезические изыскания
автомобильных дорог, важно, чтобы плотность съемочных точек была высокой и
равномерной в продольном и поперечном направлениях. Таким образом, можно
получить наиболее адекватное отображение существующей поверхности.
Основные факторы, которые должны учитываться при выборе технологии
изысканий, это скорость выполнения работ и достоверность получаемых результатов.
Нивелирование по поперечникам. Технология геодезических изысканий,
основанная на нивелировании поперечников по проектируемой трассе, заключается в том, что по оси дороги выполняется трассирование, закрепляется трасса,
разбивается пикетаж, выполняется нивелирование пикетов и, с заданным шагом,
12
выполняется нивелирование поперечников, нормальных (перпендикулярных) оси
проектируемой дороги. Эта технология является чрезвычайно простой, требующей применения наиболее простых геодезических инструментов: теодолитов, нивелиров, реек и рулеток.
Цифровые нивелиры (измерители превышений) – это современные многофункциональные геодезические приборы, совмещающие функции высокоточного оптического нивелира, электронного запоминающего устройства и встроенного программного обеспечения для обработки полученных измерений.
Основное отличие цифровых нивелиров – это
встроенное электронное устройство для снятия отсчета
по специальной рейке с высокой точностью.
Преимущество: Применение цифровых нивелиров позволяет исключить
личные ошибки исполнителя и ускорить процесс измерения.
Принцип работы: Достаточно навести прибор на рейку, сфокусировать
изображение и нажать кнопку. Прибор выполнит измерение, отобразит на экране
полученное значение и расстояние до рейки. Результаты измерений могут быть
сохранены в памяти прибора.
Лазерные нивелиры (лазерные уровни) предназначены для измерения превышений. Они состоят из горизонтального быстровращающегося круга, на котором установлен лазерный излучатель (цвет лазерного луча - обычно
красного цвета).
Основное отличие лазерных нивелиров от оптических нивелиров заключается в возможности увидеть построенную рабочую поверхность.
Перед началом работы лазерный уровень устанавливается оператором горизонтально с помощью регулировочных винтов и встроенного уровня. Некоторые модели лазерных уровней устанавливают горизонталь автоматически. После включения прибора в пространстве
вокруг него образуется красная плоскость, видимая человеческим глазом (радиус
измерений до 300 м).
Для измерения уровня Земли в любой требуемой точке вокруг прибора
нужно установить там специальную измерительную линейку. После этого останется записать значение, указываемое лазерным лучом в месте его пересечения с
линейкой.
Дальномеры (измерители расстояний) – к ним относятся
рулетки (стальные, фиберглассовые и тканевые) и лазерные дальномеры. Лазерный дальномер излучает лазерный луч, который отражается от измеряемого объекта, а дальномер измеряет с высокой
точностью время хода луча. После этого на основе измеренного
времени дальномер вычисляет расстояние до объекта.
13
Приборы, используемые при проведении тахеометрической съемки
Наиболее массовым в настоящее время видом геодезических измерений при
изысканиях для проектирования дорог является тахеометрическая съемка для составления ситуационных планов. Она обеспечивает необходимую точность измерений, но, в тоже время, достаточно трудоемка, особенно в условиях высокой
транспортной загрузки проектируемой дороги.
Электронные тахеометры. Тахеометром называют теодолит, совмещенный с дальномером. Современные электронные тахеометры оснащаются микрокомпьютерами, которые показывают на дисплее вычисленные углы и расстояния, а также могут сразу же преобразовывать их в координаты на местности.
Тахеометры бывают отражательные и безотражательные. Отражательные
тахеометры требуют для своей работы наличие отражателей, устанавливаемых на
вешках. Безотражательные тахеометры используют в своей работе мощный лазерный луч, который может отражаться от любых объектов на местности.
Электронные безотражательные тахеометры
Назначение: топографические, кадастровые и строительные
съемки.
Преимущество: возможность измерений без отражателя
позволяет определять объекты, измерения до которых ранее были
трудными или невозможными (границы и углы закрытых и частных владений, измерения до воздушных кабелей, в туннелях, карьерах, съемка мостов и высотных сооружений, при активном
транспортном потоке). Простота и производительность. (Не требуется большого опыта работы. Отнивелировать, включить и
начать работу.)
(Тримбл, германия)
Электронные безотражательные тахеометры могут быть снабжены: съемной панелью, контроллером, картой памяти или встроенным компьютером. В некоторых моделях тахеометров возможна передача файлов через сотовую связь.
Принцип работы: измерение времени прохождения лазерного луча от излучателя до отражающей поверхности и обратно до приемника. Путем деления скорости прохождения лазерного луча на время прохождения лазерного луча определяется расстояние до объекта.
В зависимости от модели тахеометра также могут использоваться отражающие поверхности: поверхность белого цвета или отражающая пленка. Также
работа прибора может вестись по призмам.
Дальность измерений:
- на отражающую поверхность (в зависимости от модели) 100 - 250 м;
- по призмам до 7 км.
Точность измерения углов – до 1 сек.
На Российском рынке широко представлены приборы фирм Trimble, Nikon,
Sokkia.
14
Нивелирование на основе лазерных построителей плоскостей
Среди существующего в настоящее время многообразия лазерной геодезической техники наиболее
эффективно применение для изысканий дорог лазерных построителей плоскостей.
Опыт этого вида изысканий накоплен в научноисследовательском институте проблем дорожного
транспортного комплекса РГСУ. Компьютерная лазерная система позволяет с геодезической точностью
определять отметки точек поперечных сечений с шагом 10 см. Прибор оснащен специальной тележкой со встроенным счетчиком пути и имеет электронные сегменты с матричной схемой расположения фотодиодов. Отдельно располагаемый излучатель генерирует луч в видимом спектре, который, попадая на определенный сегмент и фотодиод прибора, вызывает срабатывание соответствующей цепи электронной схемы и записывается в оперативную память. Частота регистрируемых точек регулируется и составляет 100-300
точек на поперечник, обуславливая отображение фактической поверхности в виде
плотной последовательности точек (земляного полотна).
После конвертации полученной информации в цифровую модель системы
автоматизированного проектирования можно приступать к процессу проектирования на основе полной информации об очертаниях существующей поверхности
ремонтируемой (модернизируемой) автомобильной дороги.
Лазерные сканеры
Назначение: создание сети опорных пунктов, 3D-сканирование, 3Dмоделирование, поиск пересечений и проведение измерений.
Область применения: промышленное и гражданское строительство, маркшейдерское обеспечение горных работ.
Принцип работы: аналогичен принципу работы безотражательного тахеометра.
Работа лазерного сканера основана на измерении наклонной дальности D
от источника измерения (лазера) до наземного объекта (дороги), являющегося
препятствием на пути распространения лазерного луча. Такое препятствие вызовет появление отраженного импульса, который будет зарегистрирован приемником, а по времени задержки от момента излучения зондирующего импульса до
регистрации отраженного импульса можно определить дальность D.
Одновременно определяются координаты пространственного положения
носителя X,Y,Z за счет использования системы спутниковой навигации, а также
углы ориентации зондирующего луча.
Знание этих 6-ти параметров внешнего ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей отражение. Основным результатом работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного
изображения или «облака» лазерных точек. Отметим важную деталь – лазернолокационное изображение всегда дискретно.
15
Преимущества: лазерное сканирование может применяться там, где невозможна тахеометрическая съемка и безопасность измерений.
Результаты: получение в кратчайшие сроки полноценных сведений о происходящих деформациях зданий и сооружений, земной коры и кровли подземных
выработок, информации о смещении оползней и обрушений.
Измерения проводятся в той же системе координат, в которой ведется документация, но может быть произведено и преобразование координат.
Лазерное сканирование в архитектуре: фасадные съемки, трехмерные модели зданий и внутренних помещений.
Виды лазерного сканирования:
1. Наземное лазерное сканирование.
Технология наземного лазерного сканирования: измерение расстояний до большого количества точек, расположенных на снимаемом объекте.
Необходима прямая видимость. Данные сканирования с разных точек сводятся в единое трехмерное “облако точек”. По результатам сканирования
составляется трехмерная модель, конвертируемая
в CAD и ГИС-приложения.
Использование модели: создание любых сечений, измерение геометрических параметров, создание моделей отдельных элементов.
Существует несколько моделей лазерного сканирования наземного базирования. Для съемки с больших расстояний (до 76 м) крупных объектов и поверхностей и при отрицательных температурах подходит сканер ILRIS-3D Канадской
фирмы Optech. Он применялся при съемке храма в Москве, Съемке горных склонов в Башкортостане и на Кольском полуострове, при работах на ОАО ГМК Норильский никель, при фасадных съемках в Самаре и Калининграде.
2. Подземное лазерное сканирование
Cavity Monitoring System (система мониторинга полостей) (той же фирмы).
Назначение: съемка недоступных полостей (очистных камер, рудоспусков).
16
GPS-съемка (системы спутниковой навигации (позиционирования)).
Этот вид съемки, в последнее время, достаточно массово применяется при изысканиях автомобильных дорог. Однако, в виду того, что прибор (режим «кинематика») устанавливается на автомобиль (подрессоренная часть), точность таких
измерений остается низкой. В режимах «статика» и «stop and go» GPS является
достойной альтернативой тахеометрической съемке.
Существенным недостатком этого метода является и то, что в закрытой
местности (залесенность, застройка, тоннели) показания GPS могут давать сбои и
отказы. Избежать этого можно совместным применением спутниковых и гироскопических систем.
Приборы спутниковой навигации (GPS-приемники)
В Роскартографии разработаны Концепция и Программа перевода системы
геодезического обеспечения на современные спутниковые технологии на основе
ГЛОНАСС/GPS-измерений. Роскартография приступила к созданию геодезической сети нового поколения и качественного нового уровня. Такая сеть уже создана на территории Европейской части России: 72 пункта фундаментальной астрономо-геодезической сети и высокоточной геодезической сети. На них проводятся GPS-наблюдения.
В настоящее время функционируют две глобальные навигационные спутниковые
системы (ГНСС) ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Кроме того, сейчас готовится
к эксплуатации европейская система Galileo.
Все эти системы состоят из трех основных подсистем: 1) наземного контроля и управления; 2) созвездия космических аппаратов; 3) аппаратуры пользователей.
17
Подсистема наземного контроля и управления состоит из 1) станций слежения за спутниками, 2) службы точного времени, 3) главной станции с вычислительным центром и станции загрузки данных на борт спутников.
Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная на станциях слежения информация об орбитах спутников используется для
прогнозирования точного положения спутников на орбите. Вся совокупность
сведений о траекториях всех спутников называется альманахом и загружается на
все спутники сразу.
В спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС имеется по 24 основных работающих и несколько резервных спутников (рис. 3.73), которые равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км в 6 и 3 орбитальных плоскостях соответственно (рис. 3.74). В системе Galileo будет 27 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км.
Область применения GPS-приемников: геодезия, геодинамика, земельный
кадастр, землеустройство, управление транспортом.
Назначение: проведение топографической съемки, сбор данных для ГИС
приложений, создание опорных геодезических сетей.
Способ работы: пользователи ГНСС с помощью GPS-приемников принимают сигналы от навигационных космических аппаратов и определяют собственное местоположение. При проведении геодезических изысканий они используются обычно только для съемки отдельных ключевых точек на местности, например, тех, где устанавливаются тахеометры. Это связано с низкой скоростью работы спутниковых приемников и их невысокой точностью.
Приемники бывают кодовыми и кодово-фазовыми. Первые из них являются
очень компактными (умещаются на ладони) и совмещают в одном корпусе приемник, антенну и источник питания. Такие приемники часто называют навигационными, т.к. они выдают относительно неточные координаты. В целом эти приемники достаточно дешевы и потому доступны для массового применения.
Фазово-кодовые приемники позволяют достигать гораздо большей точности
координат. Они также являются очень компактными, но с отдельной выносной
антенной; часто имеют внешние аккумуляторы и отдельные клавиатуру и дисплей. В случае, когда фазово-кодовые приемники работают в паре со вторым
приемником в так называемом дифференциальном режиме, то возможно достижение точности до 1-2 сантиметров.
В силу определенных особенностей определения координат приемники глобальных систем позиционирования могут измерять координаты одной точки достаточно долго. Чем больше времени отводится на съемку, тем точнее результат.
В навигационных приемниках определение координат выполняется достаточно
быстро (секунды), однако точность составляет метры и даже десятки метров. В
геодезических приемниках время установления координат может составлять от 5
минут до одного часа. Причем время и точность съемки существенно зависит от
количества доступных на небосводе спутников.
Одно из применений навигационных приемников – это съемка осей автомобильных дорог для нанесения на мелкомасштабные карты. Одним из недостатков
18
работы GPS-приемников в движении является снижение точности измерений и
возможная временная потеря видимости некоторых спутников, например, при
проезде автомобиля с GPS-приемником через густой лес, в низине или в тоннеле.
GPS-приемники бывают:
1) одночастотный (точность до 1 см/км);
2) двухчастотный (точность до 1 мм/км).
GPS-приемники снабжаются контроллерами – прочными карманными компьютерами (накопителями данных) для работы в полевых условиях. Для них разрабатывается специальное программное обеспечение, работающее в OS Windows.
Наиболее распространены GPS-приемники фирмы Trimble, но также существуют и отечественные приборы.
Спутниковые снимки
Для решения задач проектирования могут быть использованы спутниковые
снимки. Они могут быть в разных вариантах: черно-белые, цветные и т.д.
Виды изображений:
1) базовое – для выполнения фотограмметрических процессов: ортоисправления и трехмерного моделирования;
2) стандартное – для визуального анализа, классификации объектов, основы для ГИС и картографических
приложений;
3) ортоисправленное – подготовленное для ГИС и картографических
приложений, с высокой степенью
геометрической точности.
Применение: картографирование, землепользование, сельское и лесное хозяйство, мониторинг окружающей среды / стихийные бедствия.
2.6. Приборы, используемые при проведении инженерно-геологических
изысканий
Инженерно-геологические изыскания должны выполняться с применением
прогрессивных методов работ, современных приборов и оборудования, обеспечивающих повышение производительности труда, улучшение качества и сокращение продолжительности изысканий.
Основной объем изыскательских работ для построения геологолитологических разрезов, отбора образцов грунта, изучения их свойств, изучения
гидрогеологических условий выполняется бурением скважин.
Кроме буровых и шурфовочных работ, для изучения инженерногеологических условий проложения проектируемой дороги, применяют геофизические методы и георадарные технологии.
19
Георадар – цифровой, портативный, геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.
Работа георадара основана на проникновении электромагнитной волны короткой продолжительности в многослойные среды, приеме и преобразовании отраженного сигнала.
По результатам георадарного сканирования получается непрерывная волновая картинка (радарограмма), которая по специальной программе обрабатывается и интерпретируется в разрез среды.
20
Преимущество: непрерывный разрез, неразрушающий и экологически чистый метод.
Область применения:
1) Инженерно-геологические изыскания.
2) Разведка и оценка запасов строительных материалов в карьерах.
3) Обследование автомобильных дорог:
- толщины слоев дорожной одежды;
- мощность и типы грунтов земляного полотна и подстилающего основания;
- однородность материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна;
- локальные ослабления;
- участки инфильтрации поверхностных и подземных вод;
- пространственное геометрическое очертание водоупоров;
- положение подземных коммуникаций;
- влажность грунтов земляного полотна;
- глубина промерзания и оттаивания грунтов;
- местоположение кривой скольжения на оползневых участках;
- положение уровня грунтовых вод.
4) Контроль качества выполненных работ на автодороге: состояние земляного полотна, толщины слоев дорожной одежды.
5) Обследование плотин и гидроузлов.
6) Обследование взлетно-посадочных полос и перронов аэродромов.
7) Обследование зданий.
Георадары работают при температурах от -40˚С до +40˚С. Приборы компактные (массой 1,5-15 кг).
21
Высокая производительность в полевых условиях (от 5 до 30 км за смену),
однако, в камеральных условиях – 500-1000 м разреза.
При использовании георадаров необходимы контрольные буровые работы
или шурфование. С 2003 года георадары используются в ГП РосдорНИИ.
Для обработки и интерпретации данных георадиолокации (георадара) специально предназначена пограмма RadExplorer. Оптимизированный для георадиолокации набор возможностей, удобный и понятный русскоязычный интерфейс
позволяют проводить обработку георадарных данных быстро, просто и эффективно.
22
Пример обработанной радарограммы