МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г.Семей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г.Семей
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД
Учебно-методические
материалы по дисциплине
«Новые геодезические приборы
и технологии геодезических
измерений»
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от
2.09.2013г.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«НОВЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ»
для специальности 5В071100 «Геодезия и картография»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2013
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
Содержание
1
2
3
4
Глоссарий
Лекции
Практические занятия
Самостоятельная работа студента
стр. 2 из 41
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
1
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 3 из 41
ГЛОССАРИЙ
Геодезические
исходные данные
Геодезические координаты исходного пункта опорной геодезической сети,
геодезический азимут направления на один из смежных пунктов, определенные
астрономическим путем, и высота геоида в этом пункте над поверхностью принятого
земного эллипсоида. В Российской Федерации за исходный пункт принят центр
круглого зала Пулковской астрономической обсерватории, здесь высота геоида над
эллипсоидом считается равной нулю.
Геодезические знаки
Наземные сооружения (в виде столбов, пирамид и др.) и подземные устройства
(бетонные монолиты), которыми обозначаются и закрепляются на местности
геодезические пункты.
Геодезические
инструменты
(геодезические
приборы)
Механические, оптико - механические, электрооптические и радиоэлектронные
устройства, служащие для производства геодезических измерений.
Геодезические
координаты
Широта и долгота точки земной поверхности, определенные путем геодезических
измерений расстояния и направления от точки с известными географическими
координатами, и высота точки относительно т.н. референц-эллипсоида.
Точка на земной поверхности, положение которой в известной системе плановых
Геодезический пункт координат определено геодезическими методами (триангуляции, полигонометрии и
др.) и закреплено на местности геодезическим знаком.
Геодезические сети
сгущения (сети
местного значения)
Создают при развитии геодезической сети более высокого порядка (класса). Служат
для увеличения плотности государственной сети, исходя из потребностей
поставленных инженерно-геодезических задач.
Геодезическая
съемочная сеть
Сеть сгущения, создаваемая для производства топографических съемок. Подразделяют
на плановую и высотную.
Геодезический
спутниковый
приемник
Приемник, обеспечивающий прием кодово-фазовой информации, передаваемой со
спутника, предназначенной для выполнения геодезических работ.
Геоид
Фигура Земли, ограниченная уровенной поверхностью, продолженной под континенты.
Геоинформатика
Научно-техническое направление, объединяющее теорию цифрового моделирования
предметной области с использованием пространственных данных, технологии создания
и использования геоинформационных систем, производство геоинформационной
продукции и оказание геоинформационных услуг.
Геоинформационные
Совокупность приемов, способов и методов применения средств вычислительной
технологии (ГИС–
техники, позволяющая реализовать функциональные возможности ГИС.
технологии)
Геоинформационное Автоматизированное создание и использование карт на основе ГИС и баз
картографирование картографических данных и знаний.
Геоинформационное
пространство
Среда, в которой функционируют цифровая геоинформация и геоизображения разных
видов и назначения.
Геоинформационные
Совокупность банков (баз) данных картографической и тематической информации.
ресурсы
Геоизображение
Любая пространственно-временная, масштабная, генерализованная модель земных
объектов или процессов, представленная в графической образной форме.
Геоматика
Научно-техническое направление, объединяющее методы и средства интеграции
информационных технологий сбора, обработки и использования пространственных
данных, включая геоинформационные технологии.
Геометрическая
точность карты
Степень соответствия местоположения точек на карте их местоположению в
действительности.
Геометрическое
нивелирование
Метод определения превышений путем визирования горизонтальным лучом с
помощью нивелира и отсчета разности высот по рейкам. Точность отсчета по рейкам I2 мм (техническое нивелирование) и до 0,I мм (высокоточное нивелирование).
Геоморфологические Отображают рельеф земной поверхности, его происхождение, возраст, формы и их
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
карты
Геопортал
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 4 из 41
размеры. Различают общие геоморфологические карты широкого содержания и
частные, составляемые по отдельным признакам рельефа.
Электронный географический ресурс, размещенный в локальной сети или сети
Интернет
Изображение (снимок), имеющее параметры для пересчета в пространственную
Геопривязанное
изображение (снимок) систему координат Земли.
Геопространственная Процедура пересчета координат объекта в пространственную систему координат
Земли.
привязка
Геопространственные Цифровые данные о пространственных объектах, включающие сведения об их
местоположении и свойствах (пространственных и непространственных атрибутах).
данные
Геоцентрические
координаты
Величины, определяющие положение точек в пространстве в системе координат, у
которой начало координат совпадает с центром масс Земли.
Гидрогеологические
карты
Отображают условия залегания и распространения подземных вод; содержат данные о
качестве и производительности водоносных горизонтов, положении древнего
фундамента водонапорных систем и т.д
Гидроизобаты
Изолинии глубин зеркала подземных вод от земной поверхности.
Гидроизогипсы
Изолинии отметок
поверхности.
Гидроизоплеты
Изолинии влажности почвы на различных глубинах в разное время; точки одинаковых
уровней воды в разных колодцах в разное время.
Гидроизотермы
Изолинии температуры воды в данной толще горных пород.
Гидрологические
карты
Отображают распределение вод на земной поверхности, характеризуют режим водных
объектов и позволяют оценивать водные ресурсы.
Гидростатическое
нивелирование
Определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки с
помощью сообщающихся сосудов с жидкостью. Основано на том, что свободная
поверхность жидкости в сообщающихся сосудах находится на одном уровне.
Применяют для непрерывного изучения деформаций инженерных сооружений,
высокоточного определения разности высот точек, разделённых широкими водными
преградами, и др.
Глазомерная съемка
Упрощенная топографическая съемка, проводимая с помощью легкого планшета,
компаса и визирной линейки для получения приближенного плана маршрута или
участка местности.
зеркала
подземных
вод
относительно
условной
нулевой
Система, состоящая из созвездия навигационных спутников, службы контроля и
Глобальная
управления и аппаратуры пользователей, позволяющая определять местоположение
навигационная
спутниковая система (координаты) антенны приемника потребителя
(ГНСС)
Глобальная система
позиционирования
(GPS)
ГНСС, разработанная в США
Глобус
Картографическое изображение на поверхности шара, сохраняющее геометрическое
подобие контуров и соотношение площадей. Различают: географические глобусы,
отображающие поверхность Земли, лунные - поверхность Луны, небесные и др.
ГЛОНАСС
ГНСС, разработанная в России
Гора
Возвышенность на участке суши земной поверхности, куполообразной или конической
формы, со склонами значительной крутизны. Относительная высота горы более 200 м.
Горизонт
Кривая, ограничивающая часть земной поверхности, доступную взору (видимый
горизонт). Видимый горизонт увеличивается с высотой места наблюдения и обычно
расположен ниже истинного (в математике) горизонта - большого круга, по которому
небесная сфера пересекается с плоскостью, перпендикулярной к отвесной линии в
точке наблюдения.
Горизонтали
(изогипсы)
Замкнутые кривые линии на карте, соединяющие точки земной поверхности с
одинаковой абсолютной высотой и в совокупности передающие формы рельефа.
Горизонтальная
Вид топографической съемки, в результате которой создается плановое изображение
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
съемка
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 5 из 41
местности без высотной характеристики ее рельефа.
Угол в горизонтальной плоскости, соответствующий двухгранному углу между двумя
Горизонтальный угол вертикальными плоскостями, проходящими через отвесную линию в вершине угла.
Горизонтальные углы изменяются от 0° до 360°.
Горизонтирование
Операция по совмещению вертикальной оси средства измерений с отвесной линией и
(или) приведение визирной оси зрительной трубы в горизонтальное положение.
Городская
геодезическая сеть
Предназначена для обеспечения практических задач: - топографической съемки и
обновления планов города всех масштабов; - землеустройства, межевания,
инвентаризации земель; - топографо-геодезических изысканий на городской
территории; - инженерно-геодезической подготовки объектов строительства; геодезического изучения локальных геодинамических природных и техногенных
явлений
на
территории
города;
- навигации наземного и частично воздушного, водного транспорта.
Государственная
геодезическая сеть
Система закрепленных на местности пунктов, положение которых определено в единой
системе координат и высот.
Государственная
нивелирная сеть
Единая система высот на территории всей страны, она является высотной основой всех
топографических съемок и инженерно-геодезических работ, выполняемых для
удовлетворения потребностей экономики, науки и обороны страны.
Дальномер
Устройство, предназначенное для определения расстояния от наблюдателя до объекта.
Дальномер лазерный Прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.
Даты исходные
геодезические
Совокупность величин, определяющих положение референц-эллипсоида,
принятого для обработки геодезической сети какой-либо страны или группы
стран, относительно геоида, т. е. величин, фиксирующих положение референцэллипсоида в теле Земли.
Детальная разбивка
кривых
Разбивка на круговой кривой трассы пикетов и назначение радиусов кривых.
Дешифрирование
Изучение по аэроснимкам и космическим изображениям территорий, основанное на
зависимости между свойствами дешифрируемых объектов и характером их
воспроизведения на снимках.
Дистанционное
зондирование
Процесс получения дистанционными методами информации о поверхности Земли и
др. космических тел, объектах, расположенных на ней или в ее недрах.
Съемка (фотографическая, телевизионная и др.) Земли, небесных тел и космических
явлений аппаратурой, находящейся за пределами атмосферы Земли (на искусственных
Космическая съемка
спутниках Земли, космических кораблях и т.п.) и дающей изображения в различных
областях электромагнитного спектра.
Космический сегмент
ГНСС; подсистема
Часть ГНСС состоящая из созвездия навигационных спутников
космических
аппаратов
- механические, оптико-механические, электрооптические и радиоэлектронные
инструменты, применяемые для измерений на местности, составления планов и
крупномасштабных карт. Различают геодезические инструментов:
Геодезические
- для измерения расстояний: мерная лента, дальномеры;
инструменты
- для измерения углов: теодолиты;
- для определения относительных высот: нивелиры;
- для комплексной съемки местности: кипрегель и др.
Дальномер
- прибор, служащий для определения расстояний без их непосредственного измерения
на местности.
Теодолит
основной геодезический инструмент для измерения на местности горизонтальных и
вертикальных углов.
Тахеометр
- геодезический прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов,
расстояний и превышений.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
2
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 6 из 41
ЛЕКЦИИ
Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении
теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме.
Лекция № 1
Тема «Введение. Необходимость внедрения новых технологий. Требование к новым
технологиям».
1.Спутниковые геодезические системы
2. Электронные тахеометры.
3. Цифровые прецизионные нивелиры
Геодезические измерения являются основой линейно-угловых и координатных измерений в
пространстве. Геодезия, складывалась и развивалась тысячелетиями вместе с нашей
цивилизацией. И техника измерений, эволюционируя, проделала путь от «эталона», которым
служила ступня человека, до сложнейших лазерно-компьютерных технологий.
Известно, что требования к качеству строительной продукции быстро растут.
Возрастает и необходимость постоянного повышения общего технического уровня
строительных работ, надежности, долговечности, эстетичности, технологичности
строительного производства. При оценке надежности и точности измерений главным
является выбор совершенной методики геодезических работ и соответствующих приборов и
оборудования, исходя из заданных технологических требований проекта и допусков, С
ростом научно-технического прогресса и технического уровня строительства развивались и
совершенствовались методики и приборы для проведения инженерно-геодезических работ.
Современный геодезический прибор сегодня - это продукт высоких технологий,
объединяющий в себе последние достижения электроники, точной механики, оптики,
материаловедения и других наук.
Спутниковые геодезические системы. Чрезвычайно эффективны при наличии хороших
условий приема спутниковых сигналов. К сожалению, не универсальны. Гарантировать
надежную работу, например, в залесенных или застроенных районах невозможно. Не всегда
обеспечивают требуемую точность определения высот, что становится критическим для
некоторых
(относительно
немногих)
видов
работ.
Электронные
тахеометры.
Универсальные
высокопроизводительные
приборы,
позволяющие решать практически любые задачи геодезии. Исключение, пожалуй, может
составить лишь прецизионное нивелирование. Цифровые прецизионные нивелиры.
Обеспечивают высокую точность определения высот. Могут использоваться в тех случаях,
когда точность определения высот спутниковыми системами и электронными тахеометрами
недостаточна. Объем таких работ относительно невысок, поэтому и приборов требуется
немного.
Лекция № 2
Тема «Основные тенденции развития геодезического приборостроения. Камеральная
обработка данных. Технология RTK (кинематика в реальном времени) GPS - передача
поправок по радио»
В последнее время отчетливо прослеживается тенденция развития электронных
тахеометров - от «обычных» приборов к роботизированным станциям. Прибор снабжается
сервоприводами, модулем наведения на визирную цель и радиокоммуникационным
устройством. С их помощью он автоматически наводится на наблюдаемую точку, а все
команды оператор подает с пульта дистанционного управления. Резко увеличивается
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 7 из 41
качество кодирования объектов при съемке, что приводит к снижению времени камеральной
обработки.
Технология RTK (кинематика в реальном времени) GPS - передача поправок по Радио.
Впервые
концепция
использования
глобальной
спутниковой
системы
позиционирования была разработана в начале 70-х годов. С тех пор были разработаны
многочисленные приложения для использования GPS системы. Одной из самых передовых
технологий является RTK (кинематика в реальном времени) – способ, обеспечивающий
сантиметровую точность координат в реальном времени. В данной статье речь пойдет
главным образом о важнейшем компоненте RTK GPS - передаче поправок по радио. В
последние 15 лет технологии использования GPS в навигации и геодезии постоянно
развивались. Во многих случаях, нет необходимости в определении координат пунктов в
реальном времени, при этом точные координаты получаются после процедуры
постобработки. Однако, некоторые геодезические задачи, например, выполнение работ по
выносу в натуру требуют проведение измерений в реальном времени.
Измерения по фазе несущей. Относительно недавно, была разработана новая технология
определения местоположения, позволяющая специалистам работающим в геодезии и
навигации получать более высокую точность. Метод RTK использует дифференциальные
GPS измерения по фазе несущей, обеспечивая сантиметровый уровень точности в реальном
времени. Измерения по фазе несущей – наиболее точный метод измерения
псевдодальностей. Колебания фазы несущей имеют постоянную частоту в отличие от
регистрируемых на GPS приёмнике вследствие эффекта Доплера (некоторый “сдвиг”
образуется за счёт прохождения сигналом расстояния от спутника до приёмника). Таким
образом измеряемая фаза несущей между спутником и фазовым центром антенны приемника
будет состоять из целого числа фазовых циклов и дробной части. К сожалению GPS
приёмник не имеет возможности различать между собой циклы несущей. Он может измерить
дробную часть фазы, а затем отслеживать её изменение: начальная фаза является
неопределенной. Для того, чтобы использовать текущую фазу для измерения
псевдодальностей, это неизвестное число циклов или неоднозначность должна быть
вычислена наряду с координатами приёмника. Для точного определения местоположения
фазовые измерения одного приёмника комбинируются с данными другого приёмника с
целью образования т.к. называемых двойных разностей, в которых ошибка несинхронности
часов приёмника и спутника сводится к минимуму. Далее после процедуры фильтрации при
помощи двойных разностей вычисляются координаты одного приёмника (или, что более
корректно, фазового центра антенны) относительно другого. Если координаты одного
приёмника известны в некоторой местной системе координат, например его устанавливают
на пункте геодезической сети, то координаты второго приёмника тоже получают в этой же
системе координат.
В состав RTK системы входит базовая и передвижная станции, состоящие из GPS
приёмника, антенны, радиомодема и радиоантенны. Можно использовать одинаковые
модели GPS приёмников и радиомодемов на базовой и передвижной станциях, однако
учитывая, что в большинстве случаев модем на базовой станции используется для передачи
данных, а на ровере только для их приёма – это не всегда экономически целесообразно.
Использование мощных передающих устройств и недорогих, принимающих только
поправки, радиомодемов может быть оптимальным решением. Часто, передающая антенна
имеет больший коэффициент усиления, чем принимающая антенна. В некоторых RTK
системах GPS приёмник и радиомодем интегрированы вместе. Для достижения наилучших
результатов, GPS антенну базовой станции следует размещать в открытом месте, при этом
поднимая радиоантенну на максимальную высоту. В целом, можно говорить о том, что
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 8 из 41
сейчас технология RTK для целей геодезии вышла на уровень производственных работ и
широко используется по всему миру. Несмотря на то, что RTK имеет специфический уровень
применения и может рассматриваться лишь как дополнение к традиционным методам GPS
съёмки, у технологии видится большое будущее и есть потенциал для дальнейшего развития.
Лекция № 3
Спутниковые геодезические системы. Новые спутниковые технологии для
решения задач современной геодезии и геоинформатики. Роль спутниковых методов в
геодезических измерениях и кадастровых работах. Виды спутниковых технологий.
Краткая историческая справка.
1. Новые спутниковые технологии для решения задач современной геодезии и
геоинформатики.
2. Роль спутниковых методов в геодезических измерениях и кадастровых работах.
3. Виды спутниковых технологий.
Новые спутниковые технологии для решения задач современной геодезии и
геоинформатики.
Современные геодезия и картография используют новые методы определения
положения пунктов и составления карт. Базируясь на фундаментальных принципах и законах
классической геодезии и топографии, эти методы, однако, имеют существенные отличия в
процессах наблюдения и обработки результатов. Большинство производственных и научноисследовательских геодезических организаций переходят от традиционных наземных к
спутниковым определениям, не требующим большого числа исполнителей и значительных
затрат времени, а также позволяющим представить результат определений на местности
сразу в виде электронной цифровой карты.
С наступлением эры компьютерных инноваций и космических технологий методы
спутникового позиционирования стали внедряться во многие сферы деятельности человека.
Они находят широкое применение в навигации, при грузо- и пассажирских перевозках, в
нефтегазовой, строительной и других отраслях. Новый уровень получения и обработки
геоинформации, ее качественный и количественный состав способствовали созданию и
развитию географических информационных систем (ГИС), которые стали активно
использоваться для анализа и моделирования географического пространства.
Появились цифровые и электронные карты и модели местности. Для комплексного
взаимодействия спутниковых методов и ГИС с использованием наиболее полного набора
возможностей тех и других инженерами-технологами THALES Navigation, Inc. (США) было
разработано GPS-оборудование ProMark3 с программным обеспечением, позволяющим
выполнять обработку спутниковых измерений, создавать и редактировать векторные и
растровые карты и слои, формировать собственные библиотеки условных знаков, составлять
план работ, моделировать процесс съемки, принимать данные базовых станций через сеть
Интернет. Благодаря этому с использованием системы ProMark3 можно выполнять
геодезические, картографические работы, собирать данные для ГИС, вести оперативный
мониторинг территорий и обновлять топографические карты. Таким образом, больше не
нужно приобретать дополнительное оборудование для решения задач различного рода.
Режим работы ProMark3, который определяет не только функции, но и точность прибора,
выбирается оператором. ProMark3 широко применяется для топографической, кадастровой,
исполнительной съемки, сгущения планово-высотного обоснования, картографирования,
мониторинга территорий, обновления карт различных масштабов. Прибор может
использоваться как дополнение к тахеометру.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 9 из 41
Роль спутниковых методов в геодезических измерениях и кадастровых работах.
Развитие цифровых методов фотограмметрической обработки снимков обеспечивает
создание принципиально новых эффективных технологий, позволяющих получать как
стандартные виды продукции — цифровые карты, планы различного назначения, ЦМР,
цифровые фотопланы и ортофотопланы и т.п., так и принципиально новые виды продукции,
например, 3D-реалистичные модели, информацию для оперативного и планового
мониторинга и т.д.
В настоящее время в методах цифровой фотограмметрии реализованы основные идеи и
технологии аналитической фотограмметрии. Главное направление дальнейшего развития —
автоматизация фотограмметрических измерений и разработка новых технологий.
"Абсолютная" гибкость цифровых методов обработки открывает неограниченные
возможности в создании новых методик и технологий, рассчитанных на решение конкретных
задач и получение новых видов продукции. При этом "специализированные" методы
позволяют решить конкретную задачу с меньшими затратами, получить результат быстрее и
с более высокой точностью, чем при использовании стандартных технологий.
Расширение сферы использования методов фотограмметрии, повышение экономической
эффективности выполнения работ, сокращение производственного цикла, создание новых
видов
продукции
являются
первостепенными
задачами
развития
отрасли.
В настоящее время существуют технологии создания цифровых карт, позволяющие
полностью реализовать метрические возможности цифровых снимков, создавать карты
различных масштабов по снимкам единого залета и получать, кроме стандартных, новый вид
продукции (карты переменного масштаба), оперативно обновлять информацию в ГИС по
космическим снимкам высокого и среднего разрешения.
Быстрый прогресс в области технологий визуализации карт уже привел к тому, что
цифровые карты повсеместно и быстро вытесняют привычные бумажные. На очереди новый
этап эволюции средств отображения окружающего нас мира: цифровые карты становятся
трехмерными, объемными. В современное время развитие цифровых технологий,
спутниковых навигационных систем и систем дистанционного сбора геоданных не могло не
сказаться не только на полноте и достоверности картографической информации, но и на
способах
ее
представления,
а
также
организации
доступа
к
ней.
Лекция № 4
Тема «Применение новых высокоточных методов измерения: створные, струнно –
оптические, интерференционные, микро нивелирные, электронные тахеометры,
цифровые лазерные нивелиры, системы регистраций измерения»
В настоящее время для обеспечения высокоточных створных измерений существует большое
число контрольно-измерительных методов и средств, хотя их разработка, исследование и
применение начались сравнительно недавно. На начальном этапе были предприняты попытки
использовать известные геодезические методы и средства. Однако они оказались пригодными при
монтаже относительно простого оборудования со средними требованиями к точности установки в
проектное положение (2—3 мм). Затем шел процесс модернизации существующих геодезических
инструментов и методов измерения в соответствии с новыми требованиями (0,05—0,20 мм).
Установка современного оборудования в цехах промышленных предприятий и уникальных
физических лабораторий потребовала сочетания геодезических методов с методами измерительной
техники, применяемой в машиностроении, повышения точности тех и других методов, разработки
новых нестандартных геодезических приборов и вспомогательных приспособлений. Известные
высокоточные методы и средства створных измерений, которые применяют на разных этапах
строительства, монтажа и эксплуатации инженерных сооружений, можно подразделить на четыре
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 10 из 41
основных вида по физическим принципам, положенным в их основу: оптические — прямая линия
определяется визирной или оптической осью зрительной трубы, коллиматора или автоколлиматора;
струнные — базовая прямая линия задается натянутой струной; лучевые — прямая линия задается
осью пучка световых лучей, в том числе и осью диаграммы направленности лазерного пучка;
интерференционные — основаны на законах физической оптики; прямая линия определяется
когерентным источником света и устройством, разделяющим пучок его световых лучей, и реализуется
в пространстве осью симметрии интерференционной или дифракционной картины.
Нивелиры
Эти оптико-механические приборы предназначены для геометрического определения
разности высот нескольких точек на любой поверхности. Для удобства работы нивелиры
оборудованы зрительной трубой и чувствительным уровнем. Обычно они устанавливаются
на штатив (треножник).
На протяжении многих лет среди топографов, геодезистов и строителей возникает вопрос об
определении высотных отметок точек. С давних пор геодезисты мира этот вопрос решают с
помощью нивелиров. Основная задача любого нивелира - это задание горизонтального
положения визирного либо лазерного луча, относительно которого происходит определение
превышений между точками. На современном геодезическом рынке присутствует огромное
количество приборов разных по конструкции и по принципу обеспечения горизонта.
Цифровые нивелиры:
Цифровые нивелиры - это современные многофункциональные геодезические приборы,
совмещающие функции высокоточного оптического нивелира, электронного запоминающего
устройства и встроенного программного обеспечения для обработки полученных измерений.
Основная отличительная особенность цифровых нивелиров - это встроенное электронное
устройство для снятия отсчета по специальной рейке с высокой точностью. Применение
цифровых нивелиров позволяет исключить личные ошибки исполнителя и ускорить процесс
измерения. Цифровые технологии позволяют значительно расширить возможности
нивелиров и области их применения.
Лекция № 5
Тема «Современные приборы, разработанные с применением цифровых технологий.
Основные характеристики и преимущества. Trimble TS525, GPS система Trimble R3»
1. Основные характеристики и преимущества.
2. Приборы Trimble TS525, GPS система Trimble R3.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 11 из 41
Электронный тахеометр
Геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов.
Используется для определения координат и высот точек местности при топографической
съёмке местности, при разбивочных работах, выносе на местность высот и координат
проектных точек. Как правило, электронный тахеометр применяется для измерения
расстояний, с учетом разности фаз отражаемого и испускаемого луча. Практически всегда
точность измерений полностью зависит от модели тахеометра, а также от таких внешних
параметров, как давление, температура и влажность. Важно отметить, что диапазон
измерений расстояний также может варьироваться в зависимости режима работы устройства
(безотражательный и отражательный). Максимальная дальность измерений для режима с
отражателем не превышает 5 км, а вот для безотражательного режима – до 1 км. Сегодня
также есть электронные тахеометры, которые оснащены дальномером, сочетающимся с
фокусом зрительной трубы. Главное их преимущество – это измерение расстояний именно
того объекта, на который направлена зрительная труба.
Виды и принцип действия:
В электронных тахеометрах расстояния измеряются по разности фаз испускаемого и
отраженного луча (фазовый метод), а иногда (в некоторых современных моделях) — по
времени прохождения луча лазера до отражателя и обратно (импульсный метод). Точность
измерения зависит от технических возможностей модели тахеометра, а также от многих
внешних параметров: температуры, давления, влажности и т. п.
Диапазон измерения:
Зависит также от режима работы тахеометра: отражательный или безотражательный.
Дальность измерений при безотражательном режиме напрямую зависит от отражающих
свойств поверхности, на которую производится измерение. Дальность измерений на светлую
гладкую поверхность (штукатурка, кафельная плитка и пр.) в несколько раз превышает
максимально возможное расстояние, измеренное на темную поверхность. Максимальная
дальность линейных измерений для режима с отражателем (призмой) — до пяти километров
(при нескольких призмах — ещё дальше); для безотражательного режима — до одного
километра. Модели тахеометров, которые имеют безотражательный режим, могут измерять
расстояния практически до любой поверхности, однако следует с осторожностью относиться
к результатам измерений, проводимых сквозь ветки, листья и подобные преграды, поскольку
неизвестно, от чего именно отразится луч, и, соответственно, расстояние до чего он измерит.
Особенности тахеометров:
Существуют модели тахеометров, обладающие дальномером, совмещенным с системой
фокусировки зрительной трубы. Преимущества таких приборов заключается в том, что
измерение расстояний производится именно на тот объект, по которому в данный момент
выставлена зрительная труба прибора. Большинство современных тахеометров оборудованы
вычислительным и запоминающим устройствами, позволяющими сохранять измеренные или
проектные данные, вычислять координаты точек, недоступных для прямых измерений, по
косвенным наблюдениям, и т. д. Некоторые современные модели дополнительно оснащены
системой GPS.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 12 из 41
Лекция № 6
Тема «Технологии для навигации с помощью систем глобального позиционирования
GPS. Принципы работы GPS-навигаторов»
1. Принципы работы GPS-навигаторов
2. Технологии для навигации с помощью систем глобального позиционирования GPS»
Принципы работы GPS-навигаторов
Сегодня очень быстрыми темпами развиваются и совершенствуются технологии для
навигации с помощью систем глобального позиционирования. Каждому человеку доступны
любые из многочисленных GPS-навигаторов – от самого простого до самого сложного и
точного. С помощью GPS-устройств решаются и упрощаются многие задачи в различных
отраслях деятельности человека.
Глобальная система позиционирования GPS – это система, позволяющая с точностью не
меньше нескольких десятков метров определить местоположение объекта, то есть его
широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения.
Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до 1 наносекунды. GPS
состоит из совокупности определённого количества искусственных спутников Земли и
наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве пользовательского
оборудования служат индивидуальные GPS-приёмники, способные принимать сигналы со
спутников и по полученной информации вычислять своё местоположение. В состав
спутниковой системы GPS входят как минимум 24 искусственных спутника Земли,
находящихся на различных круговых орбитах, плоскости которых разнесены по долготам
через 60° и наклонены к плоскости экватора на 55°. Период обращения одного спутника
составляет порядка 12 часов.
Регулярно спутники передают на Землю:






свой статус (сообщение об исправности или неисправности)
текущую дату
текущее время
данные альманаха (орбитальные данные всех спутников)
точное время отправки всей совокупности сообщений
бортовые эфемериды (расчётные координаты своего положения в этот момент
времени)
GPS-приёмник на основании полученной со спутников информации определяет расстояние
до каждого спутника и вычисляет свои координаты по законам геометрии. При этом для
определения двух координат (широта и долгота) достаточно получить сигналы с трёх
спутников, а для определения высоты над поверхностью Земли – с четырёх. С учётом
распространения радиосигналов расстояние до спутников определяется по задержке времени
приёма сообщения GPS-приёмником относительно времени отправки сообщения с борта
спутника. Конечно, для точного определения этой задержки часы на спутниках и часы в
GPS-приёмнике должны быть синхронны, что обеспечивается синхронизацией часов
приёмника по информации, содержащейся, как указывалось выше, в сигналах спутников.
Спутниковые методы определения пространственных координат нашли массовое
применение в современных геодезических измерениях, в первую очередь благодаря системе
GPS, стабильно работающей на протяжении всего своего существования и ставшей
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 13 из 41
доступной широкому кругу гражданских пользователей. Однако всё чаще возникают
обсуждения того, что дальнейшее повышение точности и надёжности определения
пространственных координат в любой точке Земли может быть обеспечено только за счёт
совместного использования различных глобальных навигационных спутниковых систем,
таких, например, как российская ГЛОНАСС и разворачиваемая в Европе Galileo. Несмотря
на то что уровень развёртывания ГЛОНАСС в настоящее время не находится в полном
функциональном состоянии, приём и совместная обработка сигналов ГЛОНАСС и
NAVSTAR позволяют увеличить производительность при выполнении спутниковых
геодезических измерений в сложных условиях (например, городской застройки), когда число
видимых спутников системы NAVSTAR сокращается. Поэтому в настоящее время многие
разработчики аппаратуры пользователей создают спутниковые приёмники, способные
работать одновременно с различными системами (например, компания Topcon Positioning
System). Эти приёмники, в отличие от приёмников GPS, принимающих только сигналы
NAVSTAR, называют GNSS-приёмниками (Global Navigation Satellite System, аналог
русского обозначения ГНСС), а используемые методы обработки – GNSS-технологиями.
Современные геодезические измерения невозможно представить без использования
спутниковых технологий определения пространственных координат. Первые GPSприёмники появились ещё в начале 1980-х годов. За время существования они претерпели
серьёзные изменения, но неизменным остался способ определения координат. Главной
особенностью современного развития геодезического оборудования является стремление
упростить процесс измерений и объединить всё необходимое в одном приборе.
Итак, в зависимости от характера решаемых задач GPS-системы можно разделить на два
класса – навигационные приёмники и системы геодезической точности. Навигационные
приёмники обеспечивают устойчивое определение текущих координат с точностью десятков
метров и являются относительно недорогими устройствами. Приборы этого класса просты в
эксплуатации, портативны, а время, необходимое для получения координат в точке,
составляет секунды или единицы минут. Геодезические GPS-системы являются значительно
более сложными устройствами, но они позволяют достигать точности привязки объекта до
долей сантиметра, соответственно, стоимость таких систем существенно выше и может
составлять десятки тысяч долларов.
В целом весь спектр моделей GPS-приёмников по особенностям использования можно
разделить на четыре большие группы.




Персональные GPS-приёмники индивидуального применения. Эти модели
отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых
навигационных, включая возможность формирования и расчёта маршрутов
следования, до функции приёма и передачи электронной почты.
Автомобильные GPS-приёмники, которые предназначены для установки в любом
наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней
приёмо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения
на диспетчерские пункты.
Морские GPS-приёмники, оснащённые ультразвуковым эхолотом, а также
дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической
информацией для конкретных береговых районов.
Авиационные GPS-приёмники, используемые для пилотирования летательных
аппаратов, включая коммерческую авиацию.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 14 из 41
Принцип работы систем спутниковой навигации
Возможность определять координаты вне зависимости от капризов природы и времени
суток появилась с началом освоения космоса. Днем рождения спутниковой навигации
принято считать 4 октября 1957 года, когда был запущен первый искусственный спутник
Земли. Однако лишь в конце 70х годов была создана первая спутниковая
радионавигационная система (СРНС), которая позволяла определить координаты объекта
при помощи радиосигналов, передаваемых со спутника. СРНС применяются для
определения положения и ориентации сухопутных, воздушных и морских подвижных
объектов. При строительстве туннеля под ЛаМаншем строители начали копать с
противоположных сторон, сопоставляя свои местоположения при помощи СРНС NAVSTAR
(GPS), что, в результате, позволило им встретиться ровно посередине. Системы навигации
используются геодезистами, спасателями, работают на баллистических ракетах. Не первый
год за рубежом в комплектацию некоторых моделей автомобилей входит приемник
GPSсигналов (при ввозе автомобилей в Россию приемники отключаются — этого требует
наше законодательство). Основными требованиями, которые предъявляются к СРНС,
являются точность определения координат и времени и возможность получать
навигационную информацию в любой момент. СРНС первого поколения — «Транзит» в
США и «Цикада» в СССР — этим требованиям не удовлетворяли: вопервых, длительные
перерывы между сеансами навигации (до 30 минут в приполярных районах и до 2 часов в
экваториальных) не позволяли пользователю определять свое местоположение, когда
захочется. Во -вторых, погрешность определения горизонтальных координат подвижного
объекта была довольно большой — от 10 до 100 м. Кроме того, СРНС первого поколения не
давали информации о высоте и скорости объекта. В СРНС второго поколения был внесен ряд
изменений. Проблема точности и оперативности определения координат была решена за счет
увеличения количества спутников в системе. Чтобы пользователь мог в любой момент узнать
свое местоположение и время, необходимо было обеспечить одновременную
радиовидимость как минимум четырех спутников, расположенных определенным образом.
Для решения этой задачи достаточно, чтобы на орбите находилось 18 спутников, однако
было решено использовать 24 — для повышения точности определения координат самих
спутников.
Принцип работы систем спутниковой навигации таков.
Приемник
навигационных
сигналов
измеряет
задержку
распространения сигнала от каждого из видимых спутников до
приемника. Задержка сигнала, умноженная на скорость света, — это
расстояние от спутника в момент излучения до приемника в момент
приема. Из принятого сигнала приемник получает информацию о
положении спутника.
Геометрически
работу
спутниковой
навигационной
системы
можно
продемонстрировать следующим образом: пользователь находится в точке пересечения
нескольких сфер, центрами которых являются видимые спутники. Радиусы сфер равны
дальности до каждого из спутников. Для определения широты и долготы приемнику
необходимо принимать сигналы как минимум от трех спутников; прием сигнала от
четвертого спутника позволяет определить и высоту объекта над поверхностью. Эти данные
позволяют найти координаты пользователя, решив некоторую систему уравнений. При
определении координат объекта возникают ошибки, связанные с влиянием ионосферы,
температуры воздуха, атмосферного давления и влажности (каждый фактор вносит
погрешность до 30 м). Эфемеридная погрешность (разница между расчетным и реальным
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 15 из 41
положением спутника) составляет от 1 до 5 м; интерференция тоже вносит свой вклад.
Суммарная ошибка может достигать 100 м.
Лекция № 7
Тема «Новые технологии строительства, технология наземного лазерного
сканирования (ГИС), система автоматического проектирования (САПР)»
1. Технология наземного лазерного сканирования (ГИС)
2. Система автоматического проектирования (САПР).
Лазерно-компьютерные технологий
Геодезические измерения являются основой линейно-угловых и координатных измерений в
пространстве. Геодезия, как наука, стара как мир, она складывалась и развивалась
тысячелетиями вместе с нашей цивилизацией. И техника измерений, эволюционируя,
проделала путь от «эталона», которым служила ступня человека, до сложнейших лазернокомпьютерных технологий.
Сегодня с геодезией связаны практически все виды деятельности и хозяйствования человека
— наука, оборона, лесная промышленность, землеустройство, речное и морское хозяйство,
разведка и добыча полезных ископаемых, связь, космонавтика, астрономия, строительство...
В основе геодезических работ лежат геодезические измерения, выполняемые специальными
приборами по особой методике выполнения измерений.
К геодезическим средствам измерений относятся:
 теодолиты — для измерения горизонтальных и вертикальных углов
 нивелиры и нивелирные рейки — для определения превышений и высот
 приборы вертикального проектирования — для создания вертикальных плоскостей
 светодальномеры — для измерения расстояний
 тахеометры — для совместного измерения углов, расстояний и превышений
 навигационные и геодезические спутниковые системы — для определения координат
точек земной поверхности и их приращений.
В соответствии с действующим законодательством, геодезические средства измерений
подлежат периодической поверке. В специальных лабораториях, в которых размещены
эталоны, а также на полевых полигонах с геометрическими построениями на местности
аттестованные поверители — квалифицированные специалисты по космической геодезии,
астрономо-геодезии, прикладной (строительной) геодезии и землеустройству проводят
поверку всей номенклатуры геодезических средств измерений.
Лекция № 8
Тема «Внедрение современных информационных технологий в обработку данных
космического ДЗЗ. Использование материалов дистанционного зондирования в
инженерно- геологическом и эколого-геологическом картографировании»
Внедрение современных информационных технологий в обработку данных космического
ДЗЗ
В настоящее время дистанционное зондирование является очень важным и зачастую
незаменимым в исследованиях Земли. Современные достижения космической техники и
съемочной аппаратуры дали возможность проводить анализ, картографировать, изучать и
оценивать территории различных площадей. Свое современное развитие дистанционное
зондирование получило благодаря совершенствованию методов аэрокосмической съемки,
возникновению персональных станций приема космической информации, появлению
географических информационных систем. Этому предшествовала целая эпоха становления
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 16 из 41
дистанционного зондирования, которая заслуживает внимания со стороны историко-научных
исследований.
ЛАЗЕРНЫЙ СКАНЕР — СРЕДСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Времена, когда авиационный лазерный сканер был роскошью, безвозвратно прошли.
Хотя, конечно, такой прибор имеет довольно высокую стоимость, и на его содержание также
придется потратить значительные средства. Поэтому, если
рассматривать лазерный сканер относительно его
стоимости, он по-прежнему остается роскошью, которую
могут себе позволить только солидные компании. В
настоящее время на мировом рынке присутствует 2–3
серийных
производителя
лазерно-локационной
аппаратуры, в числе которых находится Optech Inc., на
счету которой 38 лазерных сканеров класса ALTM, а также
несколько десятков компаний, выпускающих единичные
экземпляры. Лазерные сканеры класса ALTM являются
важнейшим звеном технологии картографирования в
режиме реального времени. Наиболее важно то, что в
качестве самостоятельного приложения можно выделить
«общетопографическое» использование данной технологии. Имеется в виду следующее:
лазерно-локационные данные уже настолько подробны и выразительны, что и без
специального внимания к какой-то отдельной прикладной задаче могут быть с успехом
использованы (особенно совместно с цифровой аэрофотографией) для общего
топографического картирования в масштабах до 1:1000, т. е. лазерно-локационные данные
пригодны для дешифрирования и графического отображения большинства объектов,
подлежащих выделению на соответствующих картах и планах.
Не все виды геодезических работ могут быть выполнены с использованием ЛЛ метода в
смысле достижения необходимой точности и полноты данных (технические ограничения), а
выполнение некоторых видов аэрогеодезических работ ЛЛ методами нецелесообразно из-за
их высокой стоимости в сравнении с конкурирующими технологиями.
Лазерная локация является аэрогеодезической технологией. Главными отличительными
чертами лазерно-локационных данных является их «естественная» трехмерность и
координированность. Иными словами, каждая порция ЛЛ данных уже в процессе съемки
«рождается» сразу обеспеченной тремя пространственными координатами. В этом
принципиальное отличие и главное технологическое преимущество ЛЛ метода по сравнению
с
традиционными
методами
картографирования,
прежде
всего,
со
стереофототопографическим, где переход к трехмерному представлению сцены и
обеспечение объектов координатами возможен в результате сложной фотограмметрической
обработки. В этом смысле категория «точности» есть атрибут не только ЛЛ метода съемки,
но и конкретной модели сканера.
Работа любого современного лазерного локатора основана на измерении наклонной
дальности D от источника излучения (лазера) до наземного объекта, 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 Xа, Yа, Zа за счет использования
бортового приемника GPS/ГЛОНАСС, а также углы ориентации зондирующего луча.
Знание этих шести параметров внешнего ориентирования позволяет математически
перейти к координатам точки, вызвавшей отражение Xр, Yр, Zр. Основным результатом
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 17 из 41
работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного изображения или
«облака» лазерных точек. Отметим важную деталь — лазерно-локационное изображение
всегда дискретно. Сформулированное выше принципиальное описание работы лазерного
локатора позволяет сделать два важных замечания, перед тем как перейти к обсуждению
деталей проблемы точности лазерно- локационного метода. Первое замечание. В лазерных
локаторах используется когерентный источник излучения оптического диапазона, а именно
полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме. Роль лазера в используемой
схеме измерения настолько существенна, что это нашло выражение в названии прибора —
«лазерный» локатор, ведь использование когерентного источника позволяет получить узкий
зондирующий луч (обычно 0,2–1,0 мрад). Однако этим, по сути, и исчерпывается список
возможностей, предоставляемых когерентностью источника. Длина когерентности
используемых лазеров невелика и составляет не более нескольких метров. Т. е. она
значительно меньше измеряемых расстояний, и поэтому регистрируемый приемником
отраженный сигнал существенно некогерентен, что делает невозможным применение для
измерения наклонной дальности аппарата корреляционного анализа, известного как «метод
фазовых измерений». Этот метод активно применяется в радио- и оптической геодезии (в
частности, в системах спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС), а также в некоторых
системах
авиационного
дистанционного
зондирования
(интерферометрические
радиолокационные системы с синтезированной апертурой) и в настоящее время является
самым точным и достоверным из существующих. Однако, так как воспользоваться этим
методом в современном лазерном локаторе авиационного базирования не представляется
возможным, наклонная дальность измеряется с помощью метода, который условно можно
назвать «энергетическим». Этот метод основывается на измерении момента времени прихода
отраженного импульса по его переднему фронту, что в общем случае вносит массу
методических погрешностей, влияющих на точность. В частности, координаты мелких
объектов, таких, например, как провода ЛЭП или фрагменты растительности, будут
определяться менее точно из-за слабости отраженного импульса и размытости переднего
фронта. Второе замечание. Как уже отмечалось выше, лазерно-локационное изображение
всегда дискретно: оно состоит из множества лазерных точек, хаотично распределенных по
поверхности земли и наземных объектов. Вполне уместно говорить о «физической точности»
определения геодезических координат того участка земной поверхности, в котором лазерный
луч встретил препятствие и отразился. Именно эта величина указывается в паспорте прибора
производителями. Однако с практической точки зрения значительно более интересен другой
вид точности, а именно точность определения трехмерных координат географических
объектов по лазерно-локационным данным. Это значительно более сложное понятие. Такая
точность наряду с первичной физической точностью определяется плотностью и режимом
сканирования, а также в значительной мере морфологией конкретного объекта или класса
объектов. Примеры будут представлены по ходу обсуждения.
Лекция 9
Тема «Лазерно-компьютерные технологий. Применение технологии лазерного
сканирования в архитектуре, промышленности, топографии»
1Лазерно-компьютерные технологий
В последнее время технология наземного лазерного сканирования все активнее
применяется в различных областях проектирования и сооружения гражданских и
промышленных объектов.
Наземное лазерное сканирование является самым оперативным и высокопроизводительным
средством получения точной и наиболее полной информации о пространственном объекте:
памятнике архитектуры, промышленном сооружении и промышленной площадке,
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 18 из 41
смонтированном технологическом оборудовании. Суть технологии сканирования
заключается в определении пространственных координат точек объекта. Процесс
реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью
фазового или импульсного безотражательного дальномера. Измерения производятся с очень
высокой скоростью – тысячи, сотни тысяч, а порой и миллионы измерений в секунду. На
пути к объекту импульсы лазерного дальномера сканера проходят через систему, состоящую
из одного подвижного зеркала, которое отвечает за вертикальное смещение луча.
Горизонтальное смещение луча лазера производится путем поворота верхней части сканера
относительно нижней, жестко прикрепленной к штативу. Зеркало и верхняя часть сканера
управляются прецизионными сервомоторами. В конечном итоге именно они обеспечивают
точность направления луча лазера на снимаемый объект. Зная угол разворота зеркала и
верхней части сканера в момент наблюдения и измеренное расстояние, процессор вычисляет
координаты каждой точки.
Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера с
набором программ или с помощью панели управления, встроенной в сканер. Полученные
координаты точек из сканера передаются в компьютер и накапливаются в базе данных
компьютера или самого сканера, создавая так называемое облако точек.
Сканер имеет определенную область обзора, или другими словами, поле зрения.
Предварительное наведение сканера на исследуемые объекты происходит либо с помощью
встроенной цифровой фотокамеры, либо по результатам предварительного разреженного
сканирования. Изображение, получаемое цифровой камерой, передается на экран
компьютера, и оператор осуществляет визуальный контроль ориентирования прибора,
выделяя необходимую область сканирования.
Работа по сканированию часто проходит в несколько сеансов из-за формы объектов, когда
все поверхности просто не видны с одной точки наблюдения. Самый простой пример –
четыре стены здания. Полученные с каждой точки стояния сканы совмещаются друг с
другом в единое пространство в специальном программном модуле. На стадии полевых
работ необходимо предусмотреть зоны взаимного перекрытия сканов. При этом перед
началом сканирования в этих зонах размещают специальные мишени. По координатам этих
мишеней и будет происходить процесс «сшивки». Можно совместить облака точек без
мишеней, используя характерные точки снимаемого объекта.
Лазерное сканирование предоставляет возможность получить максимум информации о
геометрической структуре объекта. Его результатом являются 3D модели с высокой
степенью детализации, плоские чертежи и разрезы.
Наземное лазерное сканирование значительно отличается от других методов сбора
пространственной информации. Среди отличий выделим три основных:
– во-первых, в технологии полностью реализован принцип дистанционного зондирования,
позволяющий собирать информацию об исследуемом объекте, находясь на расстоянии от
него, т.е. на объекте не надо устанавливать никаких дополнительных устройств и
приспособлений (марок, отражателей и т.п.);
– во-вторых, по полноте и подробности получаемой информации с лазерным сканированием
не может сравниться ни один из ранее реализованных методов, плотность и точность
определяемых на поверхности объекта точек может исчисляться долями миллиметра;
– в-третьих, лазерное сканирование отличается непревзойденной скоростью – до нескольких
сотен тысяч измерений в секунду.
Благодаря своей универсальности и высокой степени автоматизации процессов измерений
лазерный сканер является не просто геодезическим прибором, лазерный сканер – это
инструмент оперативного решения самого широкого круга прикладных инженерных задач.
Сама технология лазерного сканирования открывает целый ряд новых, ранее недоступных
возможностей. Связано это, прежде всего, с более полным использованием современных
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 19 из 41
компьютерных технологий. Получаемые результаты в виде облака точек или трехмерной
модели можно быстро передвигать, масштабировать и вращать. Есть возможность
виртуального путешествия по изображению с записью в стандартный мультимедийный файл
для дальнейшего показа. Такого полного представления об объекте не может дать ни один
другой метод. При этом мы работаем не просто с изображением, а именно с моделью,
сохраняющей полное геометрическое соответствие форм и размеров реального объекта.
Такое положение дел обеспечивает возможность проведения измерений реальных
расстояний между любыми точками или элементами модели.
Несмотря на исключительную новизну, технология предусматривает возможность
автоматического или полуавтоматического получения информации и документов в
привычном виде – чертежи профилей, поперечников, планы, схемы.
Возможность обмена через общепринятые форматы графических данных позволяет легко
встроить технологию лазерного сканирования в схему уже используемого программного
обеспечения.
Технология лазерного сканирования открывает новые возможности и дает необходимую
информацию для развития современного метода трехмерного проектирования.
Лазерные сканеры
Ниже приведено описание нескольких моделей лазерных сканеров.
Например, фазовый лазерный сканер IMAGER5010, производства компании Z+F (Германия),
отличает непревзойденная скорость сканирования – более 1 млн. точек в секунду, что
позволяет провести измерения на объекте за очень короткое время. Стоит отметить, что при
измерениях может быть достигнута точность лучше, чем 1мм - это особенно актуально в
случаях, когда надо избежать накопления ошибки при регистрации данных, полученных с
большого количества стоянок сканера. Лазерный луч этого сканера полностью безопасен для
глаз, что важно при работе как на стройплощадке, так и в период эксплуатации объекта,
когда в зоне действия сканера может оказаться обслуживающий персонал. Чтобы
минимизировать количество точек съемки, сканер обладает огромным полем зрения – 3600
по горизонтали и 3200 по вертикали, что оставляет вне зоны видимости сканера лишь
маленький сектор под ним. Малый вес сканера и его компактность облегчает
транспортировку прибора при большом объеме съемки. На разных предприятиях условия
съемки могут быть разными, и сканер готов к такой работе. Он может вести съемку при
температурах от минус 100 и на него не окажет влияния запыленность рабочего помещения.
Сканер является полностью автономным – все операции управления могут быть выполнены
без подключения каких-либо дополнительных устройств – компьютеров, накопителей
данных. Цветной сенсорный экран позволяет легко задать режимы сканирования,
просматривать полученные данные и проводить простейшие измерения по полученным
облакам точек. Сохраняются данные на встроенном в сканер накопителе. Дополнительно
могут быть также подключены накопители в виде обычных флеш-дисков.
После полевых работ данные, полученные с различных точек стояния сканера, могут быть
зарегистрированы в единое облако точек с помощью программного обеспечения LFM
Register. Впоследствии наступает момент обработки данных сканирования. На этом этапе
облака точек могут быть преобразованы в программном обеспечении LFM Modeller в
трехмерные твердотельные модели оборудования или плоские чертежи. Полученные
трехмерные данные могут быть также переданы в хорошо известные пакеты программ
AutoCAD, Smart Plant 3D, PDMS и т.л. для использования в качестве основы для
дальнейшего проектирования.
Лазерный сканер GLS-1500 производства компании Topcon (Япония) при меньшей
скорости сканирования (до 30000 точек в секунду), обладает большей дальностью съемки –
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 20 из 41
до 330 метров. Такая особенность позволяет использовать его при наружных работах, когда
речь идет о съемке открытых территорий значительных размеров. Сканер обладает высокой
точностью производства измерений, которая достигает первых миллиметров. Его легко
применить при съемке городских территорий и насыщенных объектами промышленных зон,
для съемки фасадов зданий и архитектурных памятников. При наличии безопасного для глаз
человека лазера 1-го класса, сканер может применяться везде, где это необходимо. Как и
IMAGER5010, он автономен и не требует дополнительных средств управления и сохранения
данных. Все установки сканирования выполняются через встроенную панель управления, а
данные накапливаются на обычной карте памяти стандарта SD. В случае нахождения в
опасных условиях сканер может быть установлен для съемки на нужной точке, а вся связь с
ним и настройка процесса сканирования будут осуществляться по каналу WiFi. Таким
образом, управление съемкой может осуществляться дистанционно, что важно при наличии
неблагоприятных условий. Встроенная 2-мегапиксельная камера сканера позволяет помимо
данных сканирования также сохранить и фотографии объекта съемки.
Регистрация полученных данных сканирования в единую систему координат и их
последующая обработка может быть выполнена в программном обеспечении Topcon
ScanMaster. Возможности программы позволяют подготавливать данные для чертежей,
выполнять обмерные работы, создавать модели поверхности, профили, поперечные сечения.
Сфера применения лазерного сканирования
Применение методов лазерного сканирования в архитектуре позволяет получать самые
подробные данные для составления планов реконструкции и восстановления зданий и
памятников, оценивать их состояние и отслеживать изменения.
Облака точек, получаемые в результате сканирования, несут максимум полезной
информации. Непосредственно по облаку точек можно определять деформационные
характеристики фасадов зданий (крен, углы скручивания и т.п.), осуществлять визуальный
контроль состояния объекта, проводить необходимые измерения.
Более полное и наглядное представление об объекте дает его каркасная модель, создаваемая
с помощью пространственных структурных линий. Каркасная модель является основой для
получения фасадных чертежей.
Получить различного рода сечения, например, поэтажные планы можно, используя
полноценную 3D модель объекта.
При отсутствии достаточного финансирования и в условиях интенсивного разрушения
под воздействием окружающей среды, лазерное сканирование позволит сохранить для
будущих поколений архитектурный облик исторических зданий и сооружений, а также
использовать полученные данные для последующего проектирования реконструкции и
строительства.
Современные промышленные предприятия представляют собой сложнейший комплекс
оборудования, агрегатов, коммуникаций. Создать качественный и наглядный
изыскательский материал на работающем производстве, используя традиционные методы
съемки, крайне сложно, а в отдельных случаях – просто невозможно.
Лазерное сканирование обеспечивает оперативное получение необходимых исходных
данных для составления проектной документации при реконструкции и модернизации
предприятий. Это особенно важно, когда ранее использовавшаяся документация была
утрачена, либо сохранилась частично.
Применение метода лазерного сканирования значительно поднимает эффективность
съемочных работ, делает эту работу более безопасной. Исполнители освобождаются от
необходимости подниматься на эстакады, приближаться к опасным агрегатам, т.к.
сканирование может проводиться со значительного расстояния от работающего
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 21 из 41
оборудования. Все эти преимущества позволяют производить съемку без остановки
производства.
Проведенные испытания показали, что лазерные сканеры надежно работают в условиях
повышенной запыленности и вибрации, для них не важна освещенность сканируемых
объектов.
При топографической съемке железнодорожных станций всегда возникают сложности,
связанные с интенсивным движением составов. Останавливающиеся локомотивы и поезда
закрывают видимость на смежные точки съемочного обоснования, создают препятствия для
передвижения реечников. Сама по себе территория станции является местом повышенной
опасности.
Преодолеть эти трудности позволяет использование метода лазерного сканирования.
Движущиеся поезда не создают значимых препятствий для работы сканера. Правильный
выбор места установки прибора позволяет эффективно проводить сканирование даже при
наличии стоящих составов.
Объединенное облако точек является основой для набора данных при составлении
топографического плана. По облаку точек в программном обеспечении Topcon ScanMaster
определяется продольный профиль пути, строятся поперечники. Используя разнообразные
функции программ, определяются габариты приближения, профили проводов контактной
сети и т.п. Для решения перечисленных выше задач не требуется составление полной
трехмерной модели станции, все решается по облаку точек.
Использование лазерного сканирования при съемке железнодорожных станций без
остановки движения позволяет значительно повысить эффективность труда, сократить срок
полевых работ, сделать труд более безопасным. Кроме этого, облако точек и цифровая
фотосъемка местности дают более наглядный и подробный материал для камеральной
обработки и последующего проектирования, позволяют избежать пропусков элементов
насыщенной ситуации.
При топографической съемке промышленных территорий съемка лазерным сканером будет
более эффективной, чем обычная съемка с помощью электронного тахеометра. В ряде
случаев эти территории представляют собой скопление цехов, коммуникаций между ними,
эстакад, конвейеров и целого ряда других объектов, которые глаз даже опытного
исполнителя может уловить не с первого раза. В такой ситуации съемка с помощью
лазерного сканера будет абсолютно объективной, упустить что-либо из имеющихся объектов
будет невозможно. Существенную помощь при составлении планов территорий могут
оказать панорамные фотоснимки, получаемые посредством встроенной в сканер
фотокамеры.
Исходя из вышесказанного и опыта специалистов нашей компании при использовании
данной технологии, можно сделать вывод, что технология наземного лазерного
сканирования показала себя не только как высокоэффективная, но и во многих случаях как
незаменимая, позволяющая в сжатые сроки произвести оперативную съемку различных
объектов без потери точности и полноты собираемых данных. Она может быть применена
практически в любой области в силу абсолютной объективности и отсутствия влияния
человеческого фактора.
Лекция № 10
Тема «Геоинформационное образование: проблемы, направления и возможности
развития»
1. Решение задачи геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений
методом спутниковой геодезии с использованием измерительно-вычислительного
комплекса Trimble
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 22 из 41
2. Современные тахеометры, виды преимущества и назначения
3. Геодезические наземные фазовые дальномеры.
4. Точное измерение расстояний c использованием безотражательного дальномера
Геоинформационное образование: проблемы, направления и возможности развития
В настоящее время ГИС_технологии помогают нам представлять пространственное
положение событий, происходящих в мире. ГИС —это то, с чем мы сталкиваемся каждый
день, слушая прогноз погоды, выбирая маршрут поездки, подбирая специалистов,
приобретая товары, обращаясь в различные административногосударственные структуры и т.
п. Благодаря тому, что геоинформационные системы построены по стандартам
информационных
технологий,
поддерживающих
основные
форматы
данных,
пространственно-распределенная информация находится в большинстве типовых
приложений, включая Интернет.
Теоретические основы геонформационных систем закладывались в середине 1960_х гг.
Первым практическим крупным успехом применения геоинформационных технологий
следует считать создание географической информационной системы Канады (Canada
Geographic Information System, CGIS) Роджером Томлинсоном (Roger Tomlinson), под
руководством которого были разработаны и реализованы многие концептуальные и
технологические решения. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных
данных, накопленных Канадской службой земельного учета.
ГИС-технологии развивались так же быстро, как и другие информационные технологии
по обработке данных. Фактически они шли потому же пути развития, что и информационные
технологии — ввод данных, редактирование данных, организация потоков данных, выход в
Интернет. Сегодня ГИС работают и на персональных компьютерах, и на серверах, и в
Интернет, и на КПК, и даже на мобильных телефонах.
В связи с этим резко возрастает потребность в специалистах в области ГИС-технологий.
Существует два пути получения образования в этой области.
Первый — изучение вопросов, связанных с географией, с учетом компьютерных
технологий. Таким способом обучают специалистов в области географии. Второй вариант,
когда ГИС-технологии изучаются в рамках получения специальности в других областях. Так,
например, студенты, которые в будущем собираются заниматься вопросами лесного
хозяйства, должны обязательно изучать ГИС.
Курс ГИС-технологий входит в учебную программу студентов, занимающихся
океанологией и океанографией, а также вопросами планирования застройки городских
территорий и земельных ресурсов. Таким образом, эта дисциплина, с точки зрения и науки, и
методологии использования, преподается в рамках получения образования в той или иной
конкретной области. С моей точки зрения, оба метода достаточно эффективны. Компания
ESRI считает образование важным направлением внедрения ГИС как для России, так и для
всего мира. Поэтому программное обеспечение и методы применения геоинформационных
технологий предоставляются в университеты и другие образовательные организации на
льготных условиях.
ГИС используют в различных отраслях — планирование, организация и управление
земель; планирование застройки городских территорий; управление транспортом;
управление инженерными коммуникациями и др. Одной из наиболее емких областей
применения является изучение окружающей среды и природных ресурсов. Кроме того, ГИС
становится частью коммерческих систем. Это связано с тем, что руководители коммерческих
структур начинают понимать, что знание пространственного положения источников сырья,
производственных баз, потребителей и транспортных артерий, играет важную роль в
развитии их бизнеса.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 23 из 41
Возможности ГИС «карта 2000» для обработки геодезических измерений
Геодезические измерения, являясь основной частью работ, предшествующих созданию
карт и планов, обрабатываются с помощью строгих математических методов. Использование
ГИС-технологий позволяет вывести процесс обработки измерений на качественно новый
уровень. Кроме того, сочетание средств ввода, накопления и математической обработки
данных предполагает применение ГИС для интеграции данных, полученных различными
методами измерений.
При обработке геодезических измерений с помощью ГИС геодезист имеет возможность
выбирать тот или иной способ вычисления, автоматически контролировать точность
производимых расчетов, наносить результаты вычислений и уравнивания на карту (план),
выполнять визуальный анализ корректности полученных результатов и формировать
различные отчетные документы.
При этом в качестве дополнительных материалов могут использоваться
отсканированные
изображения топографических карт и планов, составленные по
результатам предыдущих съемок, а также аэро- и космических снимков.
ГИС «Карта 2000» предназначена для создания и редактирования электронных карт,
решения типовых прикладных задач и разработки специализированных ГИС-приложений в
среде Windows 95, 98, 2000, NT и CE. Для обработки данных геодезических измерений в
ГИС «Карта 2000» предусмотрен блок программ «Геодезические задачи», в который входят
модули «Импорт данных с геодезических приборов», «Выполнение геодезических расчетов»
и «Геодезический редактор».
Модуль «Импорт данных с геодезических приборов» выполняет импорт цифровых
данных, полученных в полевых условиях с помощью различных электронных геодезических
приборов в форматах SDR, RAW, R4, R5. Текстовые файлы, получаемые с приборов,
содержат данные в двух вариантах. В первом случае в текстовом файле находятся
непосредственные координаты точек (XYH), которые программа помещает на выходную
карту в формате MAP в виде точечных объектов. Во втором случае в текстовом файле
хранятся данные, представленные в виде расстояний и углов, которые преобразовываются во
внутренний формат и отображаются в соответствующем диалоговом окне модуля
«Выполнение геодезических расчетов».
Модуль
«Выполнение
геодезических
расчетов»
предназначен для предварительной обработки и уравнивания
геодезических измерений. Процедуры, входящие в состав модуля,
позволяют выполнить обработку данных полевых измерений,
отобразить результаты предварительных вычислений на карте
(плане) и сформировать отчетную документацию в виде расчетных
ведомостей. Кроме того, процедуры связанны между собой с
помощью головной программы комплекса, выполняющей их
вызов, обмен данными между ними, настройку и синхронизацию
параметров функционирования комплекса (рис. 1) и осуществляют
автоматический обмен данными при выполнении расчетов.
Каждая из них представляет собой отдельный диалог для
расчета соответствующих данных.
Модуль «Геодезический
редактор»
позволяет
выполнить обработку данных,
полученных при проведении
топографической съемки (рис.
2), которые представляют
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 24 из 41
собой набор точек с координатным 2D- или 3D-описанием. При соблюдении определенных
условий съемки точки имеют кодовое описание и набор семантической информации,
однозначно характеризующих их на местности. Это позволяет выполнять выделение и
группировку пикетов, в соответствии с правилами описания объектов, принятыми при
топографической съемке, и автоматически получать линейные и площадные объекты. Кроме
того, в состав модуля входит набор операций, упрощающий процесс составления
топографического плана или карты (рис. 3), обработки данных линейных изысканий,
получения информации с карты для последующих инженерно-геодезических изысканий, ряд
сервисных функций. Используя различные режимы модуля, можно вычислить координаты
новых пикетных точек относительно имеющихся на карте объектов по следующим
вариантам: дирекционный или горизонтальный угол и расстояние, угловая засечка, линейная
засечка, метод перпендикуляров, обратный метод перпендикуляров, метод створов,
пересечение створов. Выделенные на карте пикеты автоматически объединяются в линии
или полигоны. В состав модуля входят режимы, позволяющие автоматизировать обработку
текстовых файлов, содержащих координаты объектов. Сами объекты создаются по
координатам как из файла, так и при передаче их координатного описания в файлы
обменных данных.
ГИС (геоинформационная система) Geo Base – это такой программный комплекс,
который позволяет работать с так называемой электронной картой, т.е. с представлением
карты в компьютере.
ГИС – это такая информационная система, в состав которой входят компоненты для
сбора, передачи, хранения, обработки и выдачи информации о территории.
ГИС – это пространственно определённая система для сбора, хранения, поиска и
манипулирования данными.
ГИС – это система, состоящая из технических, программных, информационных и
организационных средств, которые осуществляют сбор, передачу, ввод и обработку данных с
целью выработки информации, удобной для дальнейшего использования в географическом
исследовании и для её практического применения.
Что касается классификации ГИС, то здесь также наметилось несколько направлений.
Например, в некоторых литературных источниках ГИС классифицируются с точки зрения их
проблемной ориентации:
 инженерные (для работы с картами, на которых изображены элементы инженерных
коммуникаций);
 кадастровые (ГИС для учета земельных участков и других объектов недвижимости),
предназначенные для обработки кадастровых данных;
 для тематического и статистического картографирования, имеющие целью
управление природными ресурсами, составление карт по результатам переписей;
 «экологические», предназначенные для поддержки экологического мониторинга
территорий;
 библиографические, содержащие каталогизированную информацию о множествах
географических документов;
 географические – с данными о функциональных и административных границах;
 системы обработки данных дистанционного зондирования.
Процесс создания электронной карты состоит из нескольких шагов:
 Сканирование – получение фотографического изображения планшетов карты (с
помощью специальных фотографирующих устройств – сканеров) и ввод его в компьютер.
Можно сканировать не планшеты, а аэроснимки и снимки, полученные с космических
аппаратов. Отсканированные изображения планшетов называются растровой картой. С
ней можно делать всё то же, что и с бумажной картой, но только на экране компьютера.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 25 из 41
Растровое изображение – это изображение, состоящее из точек разной градации серого –
от белого до черного цвета либо из точек разного цвета (цветные растры). Если Вы
посмотрите на рисунок из газеты через увеличительное стекло, то увидите его состоящим
из точек (пикселов). Отсканированное изображение на экране компьютера выглядит так
же.
 Векторизация – обрисовка объектов поверх растровых изображений планшетов и,
тем самым, указание геоинформационной системе, что понимать под выделенным
объектом – здание, земельный участок, колодец, кабель или что-нибудь другое. При
векторизации изменяется способ представления карты в компьютере – она заменяется на
так называемую векторную или, - как иногда говорят, - цифровую.
 Наполнение семантических (смысловых) табличных баз данных. С каждым
отвекторизованным изображением объекта можно связать таблицу характеристик этого
объекта, которую (таблицу) всегда можно вызвать на экран, выбрав мышью объект на
карте.
 После таких подготовительных процессов начинается собственно работа с
программой как с полноценной геоинформационной системой; электронная карта
создана, и с объектами связаны табличные данные. Теперь ГИС можно «спрашивать» с
целью получения данных о пространственно распределенных объектах и проводить
анализ этих данных.
Решение задачи геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений методом
спутниковой геодезии с использованием измерительно-вычислительного комплекса Trimble
В последние годы в больших городах, весьма остро встала проблема нехватки земель под
застройку. Застройщиками был найден вполне понятный путь решения этой проблемы в
ориентировании на строительство многоэтажных зданий (свыше 75 м). Особенностью
конструкций высотных зданий является сосредоточение большой массы на малой площади,
что делает их более чувствительными к различным деформирующим факторам, нежели
обычные здания. По этой причине выявилась необходимость в проведении работ по их
периодическому, а в некоторых случаях и непрерывному мониторингу. И здесь возник ряд
проблем, связанных с отсутствием нормативной, технологической и методической баз,
регулирующих проведение работ по мониторингу таких зданий. Этот метод предполагает
дискретное разбиение файлов непрерывных спутниковых наблюдений, полученных GPS
приемниками, с определённым интервалом, например, 30 мин. В результате мы получаем
пространственные координаты реперов, расположенных на крыше здания, на каждую
тридцатиминутную эпоху в пределах интервала непрерывных измерений. Основные
достоинства этого метода:





достаточно высокая точность;
высокая чувствительность;
простота реализации;
полная автоматизация на всех этапах работ;
относительно низкая стоимость.
Были проведены базовые работы по оценке эффективности данного метода, реализуемого
посредством измерительно-вычислительного комплекса Trimble, в состав которого входят:




2 двухчастотных GPS-приемника Trimble 5700;
2 антенны Zephyr Geodetic;
контроллер Trimble TSCe;
программное обеспечение Trimble Total Control;
УМК 042-18-14.1.23/03-2013

Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 26 из 41
дополнительный программный модуль Motion Tracker.
Входящий в комплекс приёмник Trimble Total Station 5700 является фазовым двухчастотным
GPS с низким энергопотреблением и технологией обработки сигнала Maxwell 4. GPSприёмник 5700 использует в качестве встроенной памяти карты формата Compact Flash, что
позволят непрерывно регистрировать "сырые" L1/L2 GPS данные (в режиме "Статика")
большого объёма. Для обработки измерительной информации использовалось программное
обеспечение Trimble Total Control, которое является базовой платформой для программного
модуля Motion Tracker, предназначенного для обработки данных временных и постоянно
действующих GPS-станций, объединённых в единую сеть с целью осуществления анализа и
контроля деформаций в различных областях применения.
Лекция 11
Тема «Современные тахеометры, виды преимущества и назначения.
Электронные тахеометры с сервоприводом. Геодезические наземные фазовые
дальномеры. Точное измерение расстояний c использованием безотражательного
дальномера»
Современные тахеометры, виды преимущества и назначения
Электронный тахеометр это многофункциональный, компактный электронный прибор,
позволяющий проводить практически любые геодезические работы. Тахеометр позволяет
измерять горизонтальные и вертикальные расстояния, углы, площади на удалении до 5 км и с
точностью до 1 см, вести автоматическую запись данных по тысячам точек, обмениваться
данными с компьютером. Современные электронные тахеометры значительно различаются
не только своими конструктивными или техническими характеристиками, но и ориентацией
на конкретного пользователя или определенную сферу применения. Поэтому тахеометры
можно также классифицировать по их предназначению для решения конкретных задач.
Точность и дальность измерений в данном случае уже не играют существенной роли.
Определяющим становится фактор эффективности применения прибора для решения
конкретного типа задач. Например, для выполнения традиционных работ по землеотводам
достаточно иметь простой механический тахеометр с минимальным набором встроенных
программ. В то же время для работ по изысканиям и строительству автомагистралей
наиболее эффективным будет применение роботизированного электронного тахеометра,
имеющего функции автоматического слежения за отражателем, контроллер и программы,
позволяющие не только работать с проектными данными, но и воспроизводить полученные
результаты непосредственно в поле на экране контроллера. При измерении расстояний с
помощью теодолита необходимо использование рейки. При этом допустимая точность
соблюдается на расстояниях до 250-300 метров. В то же время тахеометр требует
специального отражателя, устанавливаемого на вешку и с его помощью можно провести
измерения на удалении до 5 км с точностью до 1 см (отдельные модели). Более совершенные
модели тахеометров позволяют работать без отражателя на расстояниях до 350 метров,
наводя прибор непосредственно на объект. В общем и целом можно сказать, что точность
измерения простейших тахеометров как правило не хуже 5–6" для угловых измерений и 3
мм + 3 ppm - для линейных при съемке с отражателем. Для соблюдения точности угловых
измерений чрезвычайно важен диапазон компенсации влияния углов наклона вертикальной и
горизонтальной осей. Эта величина особенно существенна при работе тахеометром со
штатива. В отличие от проведения работ с теодолитом, при которых необходимо вести
журнал для записи углов, расстояний и т.п. при тахеометрической съемке требуется только
ведение абриса. Углы, расстояния и номера пикетов будут автоматически сохранены в
памяти тахеометра. Если Вы меняете место установки прибора (станцию), потребуется лишь
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 27 из 41
внести данные о новой станции и задать номер первого пикета. После этого при наведении
на отражатель тахеометр будет делать измерения автоматически при нажатии одной кнопки.
Одна из полезных особенностей электронного тахеометра - автоматический расчет
горизонтального проложения. На дисплее прибора отображаются наклонное расстояние,
вертикальный и горизонтальный углы или наклонное расстояние, горизонтальное
проложение и превышение. Причем режимы отображения этой информации можно
переключать в любое время. Немаловажная и чрезвычайно удобная функция тахеометра это
"вынос в натуру". Прибор устанавливается на точку с известными координатами, проводится
его ориентирование (путем задания дирекционного угла или задания координат точки
ориентирования). После этого вводятся координаты точки для выноса, и тахеометр
показывает угол, на который его нужно повернуть и расстояние, которое необходимо
отложить в заданом направлении. Особенно это удобно при проведении работ на сильно
пересеченной местности и больших расстояниях, где использование теодолита в сочетании с
рулеткой требует больших трудозатрат.
Для карьерных работ удобно использование такой функции электронного тахеометра как
определение своих координат с помощью обратной засечки. При первой установке
тахеометром снимают координаты точек на каких-либо объектах по краям карьера (с
помощью отражательно пленки). После проведения работ, снова устанавливается тахеометр
и с помощью обратной засечки определяются координаты точки стояния, а также делается
новая съемка дня карьера. Использую программное обеспечение CREDO довольно быстро
можно построить схему выполненных карьерных работ по квадратам и общую информацию
по ним. Клавиатура электронного тахеометра может быть цифровой или алфавитноцифровой. Некоторые модели тахеометров имеют клавиатуры с обеих сторон. Число
клавиш клавиатуры в среднем лежит в пределах от 10 до 30, в зависимости от возможностей
тахеометра. Клавиатура с минимальным числом клавиш, каждая из которых
многофункциональна, очень неудобна и неэффективна. В то же время отдельные
электронные тахеометры имеют полные PC-совместимые QWERTY-клавиатуры. Память
до 10000 точек и прилагаемое ПО для обмена данными с компьютером - несомненные
преимущества электронного тахеометра . Кроме того дополнительно приобретаемые
программы дадут возможность не только получить пространственную модель отснятого
рельефа с прорисовкой горизонталей в электронном виде, но и легко дополнить ее
информацией о существующих и новых объектах (тип поверхности, виды растительности,
здания, сооружения, коммуникации и т.п.) Дальность работы с электронным тахеометром
в роботизированном режиме как правило лежит в пределах 1–1,5 км, что обусловливается в
основном предельными расстояниями при таких видах съемок. В целом применение
роботизированных технологий повышает эффективность работ практически вдвое по
сравнению с использованием механических тахеометров, что дает возможность значительно
сократить трудовые затраты, свести к минимуму ошибки полевых измерений, что в итоге
позволяет, по крайней мере, удвоить годовые объемы подрядных геодезических работ.
Точное измерение расстояний c использованием безотражательного дальномера
Не так давно в геодезии появилась возможность измерения расстояния без использования
отражателя (RLM). В этом методе точность измерения расстояний выше, чем при
использовании дальномера, который измеряет расстояние только до отражающей призмы.
Специальная оптическая система фокусировки лазерного луча была сконструирована для
того, чтобы метод RLM полностью удовлетворял требованиям геодезии. В дополнение к
высокой точности метод RLM имеет потенциальные возможности в использовании новых
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 28 из 41
типов мишеней (отражателей). Автор статьи представляет читателям особенности данного
метода и предлагает некоторые мнения по поводу разработки и использования мишеней для
работы с тахеометрами, оснащенными безотражательным дальномером.
Хотя метод измерения расстояний без отражателя известен более чем 10 лет, но его
использование для высокоточных работ в геодезии началось не так давно. В методе RLM не
используется отражатель. В результате излучаемый тахеометром лазерный сигнал
отражается от диффузной поверхности объекта во всех направлениях. Следовательно,
величина вернувшегося сигнала в прибор становится значительно меньше, чем от
призменного отражателя. Кроме того, нет точно определённой точки, до которой
произведено измерение расстояния; измеряется расстояние, которое было усреднено в
области попадания лазерного луча. Из-за особенностей диффузионного отражения, обычно
энергия отражённого света, которая достигает прибора, очень мала, и нужно использовать
излучатель высокой мощности. Соответственно это становится проблемой, так как лазерное
излучение высокой мощности может быть опасно для глаз.
Классификация лазеров:


Класс I, II a, II, III a, III b, IV (FDA)
Класс 1, 2, 3А, 3В, 4 (IEC)
Применяется только для видимых лазеров. Защита глаз обычная, например, рефлекс
моргания глаза. Не следует использовать на уровне головы. Опасно прямое попадание в
глаза, особенно через оптические инструменты (например, бинокль и телескоп). Следует
использовать квалифицированных рабочих и специалистов. Очень опасно при
использовании на открытой местности. В безотражательных дальномерах применяются две
основные оптические системы, с фокусировкой и без нее (Рис.1). Системы с фокусировкой
имеют фокусирующие линзы на траектории прохождения лазерного луча, в то время как в не
фокусирующих системах линзы располагаются на визирной оси.
Только система с фокусировкой может дать
чёткое сфокусированное изображение светового
источника на цели. Свет в системах без фокусировки
рассеивается по поверхности цели в соответствии
распределению
Гаусса.
Так
же
важны
характеристики поверхности цели. В этом случае
хорошо
подойдёт
оптическая
система
с
фокусировкой излучаемого луча, когда она четко
определяет диаметр точки лазера, которая попадает
на цель, на сетке нитей зрительной трубы (см. рис. 3). При использовании системы без
фокусировки невозможно четко определить точку до которой происходит измерение, так как
лазерный луч точно не спроецирован на сетку нитей.
Рис. 3 Прохождение луча и эффект переотражения
луча
Бывают случаи, когда невозможно навести
лазерный луч на объект, например, как показано
на рисунке 3. И возникает проблема отражения
сигнала, как от цели, так и от объекта,
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 29 из 41
находящегося позади цели. Поэтому очень важно отделить нежелательное отражение
сигнала от объекта, находящегося на некотором расстоянии за целью. Приборы с
фокусировкой луча решают эту проблему. На рисунке 4 показаны оба графика,
показывающие взаимосвязь расстояния и мощности отражённого сигнала. Красная и голубая
линии показывают соответственно результаты испытаний без использования системы
фокусировки луча и системы с фокусировкой. Из графиков видно, что при использовании
системы без фокусировки отражение растёт с уменьшением расстояния до цели. Поэтому
более близкий объект даёт более сильное отражение, даже когда он не является измеряемым
объектом. Пик графика системы с фокусной наводкой приходится на расстояние, для
которого производилась фокусировка. Таким образом, объекты находящие вне фокуса дают
очень малое отражение. Это делает выбор желаемого сигнала более лёгким и уменьшает
возможность ошибочных измерений.
Рис. 4. Для задач геодезии важно избегать ошибочных измерений. Вид сетки нитей с
указанием реального размера точки лазерного луча, которая попадает на цель – это лучший
способ, чтобы различить то, что должно быть измерено. Потенциально, метод
безотражательных измерений можно применять для высокоточных измерений, используя
призменный отражатель или отражающую марку. Эта идея открывает новые возможности
для эффективного использования новых типов мишеней, которые могут быть изготовлены
самими пользователями. Призменный отражатель является точным оптическим прибором и
может быть произведен только с использованием специального оборудования. Поэтому для
пользователя отсутствует, какая либо возможность для разработки собственных
отражателей. С появлением безотражательного дальномера эти ограничения исчезают.
Мишень, сделанная пользователем, может быть, например, сделана в виде отражающей
полоски материи, намотанной на веху (Рис.5), с легкостью обеспечивая измерение
расстояний до 100 метров. В этом случае радиус вехи (на рисунке 9 мм) может задаваться
как постоянная отражателя. Рис. 5.
При использовании маленькой мишени, как в
выше описанном примере, может возникнуть
“нехорошая” ситуация, показанная на рисунке 3.
Зачастую в подобной ситуации отражение сигнала от
объекта позади цели может значительно уменьшить
точность измерений. Например, комбинация листа
бумаги находящегося позади вехи обмотанной белой
тканью, на расстоянии 30/60/90 метров, вызывает
погрешность измерений, которая показана на рисунке 6.
Как видно из графиков, объект, находящийся
рядом с мишенью, может вызвать ошибки в
измерении расстояния. Существует простое, но
эффективное решение данной проблемы –
обеспечение тёмного фона позади мишени, который
не будет давать какого либо отражения. Для этой
цели
подойдёт
любой
объект
с
низкой
отражательной способностью.
Степень погрешности, приведённой выше, зависит от многих факторов, включая общее
расстояние и соотношение отражающей способности от цели и от фона. Если объект
находится на достаточно большом расстоянии или обладает низкой отражательной
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 30 из 41
способностью, то таких проблем не будет и следовательно не будет требоваться темный фон
сзади мишени. Разработка нового оборудования увеличивает количество возможных
применений для высокоточного метода безотражательных измерений. Пользователи должны
сами ознакомиться с новым типом прибора. Оптика с фокусной наводкой поможет решить
многие проблемы, возникающие при измерениях расстояний без использования отражателей.
Примеры мишеней, описанных выше, могут вдохновить пользователей на создание
собственных моделей. Комбинация безотражательного дальномера и специальных мишеней
будет содействовать большей точности, эффективности и безопасности измерений в
геодезии.
ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ— ОСНОВА САПР И ГИС ПРОЕКТОВ.
Современные требования к качеству и оперативности проектирования в
промышленном, гражданском и транспортном строительстве подразумевают применение
высокоэффективных технологий на всех стадиях создания проекта. Эти требования
определяются следующими ключевыми моментами:
— необходимостью вариантного проектирования с быстрой детальной проработкой, а
также с экономической и экологической оценкой;
— организацией сквозной технологии инженерных изысканий и проектирования на
основе единого набора данных для всех элементов и разделов проекта.
Удовлетворение этих требований достигается на основе цифрового моделирования
как в системах обработки материалов инженерных изысканий, так и в системах
автоматизированного проектирования.
Последние 15 лет развития методов сбора, обработки, представления и использования
топографо-геодезической информации (ТГИ) можно охарактеризовать одним словом —
«революция». В массовое производство изысканий вошли электронные тахеометры и
спутниковые технологии; прочно заняли свое место цифровые методы в фотограмметрии;
все шире начинают применяться технологии наземного и воздушного лазерного
сканирования. ТГИ приобрела цифровой вид, и появился новый класс потребителей ТГИ —
разработчики
геоинформационных
проектов.
Традиционные
потребители
ТГИ
(проектировщики генплана и объектов транспорта) эффективно
применяют существенно изменившиеся, основанные на методах
цифрового моделирования системы автоматизированного
проектирования. Таким образом, принципиально изменился
подход к основным результатам инженерных изысканий и
проектирования. Это выражается в переходе от «бумажного»
результата (чертежи, планшеты) к модели, т. е. к созданию
цифровой модели местности (ЦММ) как основного результата
инженерно-геодезических изысканий; созданию объемной
геологической модели (ОГМ) как результата инженерногеологических изысканий; созданию и оценке цифровой
модели проекта (ЦМП) как результата проектирования (см.
рисунок).
Важной задачей инженерно-геодезических изысканий при
этом становится обеспечение адекватности создаваемой ЦММ
физическому состоянию местности, необходимой и достаточной
проектировщику для принятия проектных решений при
создании ЦМП. Такая адекватность, кроме соблюдения норм
инженерно-геодезических изысканий (точность, состав, полнота
данных), особо требует:
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 31 из 41
— обеспечения соответствия цифровой модели рельефа ее топографической
реальности;
— пространственного представления в модели подземных и надземных коммуникаций;
— многослойности модели рельефа и ситуации с заданным, нужным проектировщику,
распределением данных по иерархически организованным слоям;
— информационной насыщенности объектов модели сведениями, необходимыми для
принятия проектных решений и согласований.
Для реализации подобной технологии в регионе необходимо сосредоточить цифровые
модели местности и объектов данной территории в едином органе, например, в управлении
архитектуры и градостроительства города. Преимущества технологии очевидны:
изыскательские и проектные организации, получая из управления архитектуры и
градостроительства города уже имеющиеся цифровые модели, существенно экономят время
и средства на выполнение топографической съемки текущих изменений и корректировку
существующих моделей, дополняя данные геолого-геодезической службы цифровыми
моделями новых объектов.
Лекция № 12
Тема «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка»
1. Лазерные спутниковые дальномеры.
2. Геодезические интерферометры оптического диапазона.
Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка
Лазерное сканирование — технология, позволяющий создать цифровую трехмерную модель
объекта, представив его набором точек с пространственными координатами. Технология
основана на использовании новых геодезических приборов — лазерных сканеров. Принцип
работы сканера основан на измерении расстояния до объекта с помощью безотражательного
лазерного дальномера и определении двух углов направления лазерного луча, что в
конечном итоге дает возможность вычислить пространственные координаты точки
отражения. За самое короткое время цифровая модель пространства будет представлена в
виде набора из сотен тысяч или миллионов точек. Более полную цифровую картину не
может представить никакой другой из известных способов. Процесс съемки полностью
автоматизирован, поэтому участие оператора сводится лишь к включению сканера. В
отличие от традиционных геодезических измерений, лазерное сканирование позволяет
получить цифровую модель всего объекта, а не отдельных его частей. Впервые появилась
возможность создания трехмерной модели не по дискретным измерениям, а по большому
массиву точек, что значительно повышает точность конечной модели. Лазерный сканер
позволяет проводить измерения неприступных или труднодоступных объектов: высотных
зданий, башен, плотин, доменных печей, мостов. Не нужно больше тратить недели и месяцы
на полевые изыскания, переставлять прибор для поиска наиболее выгодной для съемки
позиции. Теперь это можно делать с одной точки, без участия оператора и в десятки раз
быстрее, сохранив при этом необходимую точность.
GPS - это аббревиатура общепринятого названия глобальной навигационной спутниковой
системы определения местоположения Global Position System. Таких действующих систем в
мире две - российская ГЛОНАСС и американская НАВСТАР. Каждая из систем включает
группировку низкоорбитальных навигационных спутников, наземные средства слежения и
управления и самые разнообразные приeмоиндикаторы - носимые, возимые, стационарные и
т.д., служащие для определения координат.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 32 из 41
Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 г.
Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми
солнечными батареями).
 Мощность радиопередатчика – не более 50 ватт.
 Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники
используют частоту “L1”, равную 1575.42 МГц.
 Каждый спутник расчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники
изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.


Лекция № 13
Спутниковые системы доплеровского типа (TRANSIT и др.), их недостатки. История
создания глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС.
1. История создания глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС
2. Спутниковые системы доплеровского типа (TRANSIT и др.), их недостатки
Спутниковые системы навигации Глонасс
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух
типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и
навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация,
предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и
глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность
определения:




горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и
обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме
навигационных
радиосигналов
ГЛОНАСС
приемник,
используя
известные
радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости
их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется
автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток
времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного
спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы
времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того,
цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде
кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты
измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения
навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная
задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом
используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются
три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется
привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного
всемирного времени (UTC).
В состав бортовой аппаратуры входят:
УМК 042-18-14.1.23/03-2013






Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 33 из 41
навигационный комплекс;
комплекс управления;
система ориентации и стабилизации;
система коррекции;
система терморегулирования;
система электроснабжения.
Развитие спутниковой навигации
Общее направление модернизации обоих спутниковых систем GPS и Глонасс связано с
повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого
пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников,
улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием
дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс
совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.
Совершенствование системы ГЛОНАСС планируется осуществлять на базе спутников
нового поколения “ГЛОНАСС-М”. Этот спутник будет обладать увеличенным ресурсом
службы и станет излучать навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских
применений.
Проект «Галилео»
Страны Европейского союза начали развертывание гражданской глобальной СНС
«Галилео», опирающейся на свои собственные спутники. Предполагается, что она должна
быть:





независимой от GPS, но взаимодействующей с нею;
управляемой под международным контролем (США пытаются установить полный
или частичный контроль над этой системой);
более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о
неисправности элементов системы;
рентабельной;
открытой для участия других партнеров, в частности России (в последнее время наше
участие в проекте не приветствуется).
Запуск первого КА состоялся в 2004 году, а начало эксплуатации системы ожидается в 2008
году. По оценке специалистов, стоимость работ по программе «Галилео» до 2008 года
составит $2,5-3 млрд, а ежегодная окупаемость после 2008 года - $150-210 млн.
Планируется, что «Галилео» будет передавать один общедоступный сигнал OAS (Open
Access Service - служба открытого доступа) и один или два сигнала с контролируемым
доступом CAS (Controlled Access Service - служба контролируемого доступа). Сигнал OAS
должен быть эквивалентен GPS и обеспечивать точность порядка 10 м. Эта информация
останется бесплатной до тех пор, пока будет сохраняться бесплатное использование GPS.
Сигналы CAS - платные, шифруемые, контролируемые коммерческой компанией и
предназначены для потребителей, требующих более высокого уровня точности, целостности
и уверенности для жизнеобеспечения и других специальных применений. В CAS, в свою
очередь, возможны два уровня. CAS-1 будет открыт за плату всем желающим, в то время как
CAS-2 станет доступен только правительственным потребителям. Предполагается, что
система обеспечит определение места с точностью 3-4 м.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 34 из 41
Спутниковые системы доплеровского типа (TRANSIT и др.), их недостатки
СНС Transit («Транзит») начала разрабатываться уже в 1958 году в США.В 1959 году на
орбиту выведен первый навигационный искусственный спутник Земли, а в 1964 году
вступила в эксплуатацию система для обеспечения американских атомных ракетных
подводных лодок «Поларис». Для коммерческой эксплуатации СНС «Transit» была
предоставлена в 1967 году, причем количество гражданских пользователей вскоре
существенно превысило число военных. К концу 1975 года на круговых околоземных
орбитах (высотой около 1000 км) находилось шесть навигационных космических аппаратов
(КА), и на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из
них рассчитывались координаты наблюдателя. Масса ИСЗ составляла 56 кг. Спутник
излучал сигнал на двух частотах - 150 и 400 МГц, среднеквадратическая погрешность (СКП)
определения места объекта на земной поверхности составила 100 м. В 2000 году система
была выведена из эксплуатации.
СНС «Цикада» - эта российская система ведет свое летосчисление с 1967 года, когда был
выведен на орбиту первый навигационный спутник «Космос-192». Полностью система
введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов, выведенных
на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83 градуса и равномерным
распределением плоскостей орбиты вдоль экватора. Система позволяла наблюдателю
каждые 1,5-2 часа определять координаты своего места при продолжительности
навигационного сеанса до 10 мин. С течением времени в результате модернизации системы
СКП определения места объекта достигла 80-100 м. «Цикада» также использовала
доплеровский сдвиг частоты сигнала передатчика для определения координат места. Позже
космические аппараты этой системы были дооснащены аппаратурой для обнаружения
терпящих бедствие объектов, оборудованных радиобуями, излучающими специальные
сигналы. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации. Для
определения координат кораблей ВМФ СССР использовалась низкоорбитная спутниковая
навигационная система «Цикада-М», обладающая характеристиками, близкими к системе
«Цикада». Таким образом, со времен средневековых мореходов способ определения
координат объекта на поверхности Земли принципиально не изменился, а лишь значительно
облегчился благодаря широкому применению вычислительных устройств и чувствительной
приемной аппаратуры. Для решения задачи определения координат по величине
доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого ИСЗ, приемная аппаратура
рассчитывала скорость КА, находящегося на высоте 1000 км. Кроме того, необходимо было
знать положение аппарата на орбите (эту так называемую «эфемеридную информацию» КА
«сбрасывал» потребителю) и иметь на КА и в приемной аппаратуре высокостабильный
генератор частоты. Принципиально измерять расстояния можно было бы одновременно до
двух ИСЗ или последовательно во времени до одного и того же спутника. На практике
измерялась разность расстояний до одного и того же ИСЗ через 20-секундные интервалы
времени. Поэтому в состав спутниковой навигационной системы входил наземный комплекс
управления (со средствами измерения и передачи на КА данных о его положении на орбите «эфемеридной информации»).
Лекция № 14
Тема «Применение новых измерительных геодезических приборов»
1. Лазерные приборы, указатели
2. Основные методы дальнометрии.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 35 из 41
В последнее время производители оборудования в разных странах ведут интенсивные
разработки новых портативных приборов с лазерными излучателями, обладающих
невысокой энергоемкостью. Появилась целая гамма видовых понятий по отношению к
традиционному термину «лазерный геодезический прибор»: лазерный нивелир, лазерный
указатель направления, лазерный визир, лазерный построитель плоскостей, лазерный сканер,
лазерная рулетка. Основной областью применения данных приборов является инженерно
геодезическое обеспечение работ при строительстве и реконструкции зданий и сооружений.
Результаты полевых и лабораторных испытаний лазерных приборов, позволяют сделать
следующие выводы.
1. Лазерные приборы, предоставленные на испытания, обеспечивают возможность
электронной визуализации горизонтальных и/или вертикальных направлений (плоскостей) с
погрешностями, допустимыми для геодезического контроля в строительстве.
2. Основные параметры приборов соответствуют данным, содержащимся в
документации фирм-изготовителей.
3. Достоинством приборов является оперативность и наглядность выполнения операций
по построению лазерных направлений (плоскостей). Широкий диапазон работы
компенсатора позволяет быстро приводить в горизонтальное положение основание под
прибор.
4. Лазерные приборы МР40, FL40 и FL50 позволяют выполнять нивелирование с
погрешностью не более 2–3 мм на 10 м.
5. Лазерные приборы могут быть рекомендованы для геодезического сопровождения
разбивочных и монтажных работ, проведения створных измерений, передачи положений
проектных точек в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также для геодезического
контроля строительных и ремонтных работ в пределах ограниченного пространства.
Принцип работы лазера
Принципиальная схема лазера крайне проста (рис. 1): активный элемент, помещенный между
двумя взаимно параллельными зеркалами.
Зеркала образуют так называемый оптический
резонатор; одно из зеркал делают слегка
прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора
выходит лазерный луч. Чтобы началась
генерацию лазерного излучения, необходимо
"накачать" активный элемент энергией от
некоторого
источника
(его
называют
устройством накачки).
В
результате
этого
взаимодействия
Рис.1 Схема работы лазера.
возбужденный
атом
переходит
в
невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой
же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона.
Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно
идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными
атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть "цепная реакция" размножения
одинаковых фотонов, "летящих" абсолютно точно в одном направлении, что приведет к
появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных
фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы
больше чем невозбужденных, поскольку при
взаимодействии фотонов с невозбужденными
атомами происходило бы поглощение фотонов.
Такая среда называется средой с инверсной
населенностью уровней энергии (рис. 2).
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 36 из 41
с инверсной населенностью
Рассмотрим некоторые уникальные свойства лазерного излучения. При спонтанном
излучении атом излучает спектральную линию конечной ширины. При лавинообразном
нарастании числа вынужденно испущенных фотонов в среде с инверсной населенностью
интенсивность излучения этой лавины будет возрастать, прежде всего, в центре спектральной
линии данного атомного перехода, и в результате этого процесса ширина спектральной линии
первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. На практике в специальных
условиях удается сделать относительную ширину спектральной линии лазерного излучения в
107 - 108 раз меньше, чем ширина самых узких линий спонтанного излучения, наблюдаемых в
природе.
Современные лазерные дальномеры
Для определения расстояния до цели долгое время применялись дальномерные шкалы
на оптических прицелах. Однако этот способ при всей своей простоте не является
достаточно точным и надежным. Кроме того, наблюдателю необходим ориентир с заранее
известными размерами, что является невыполнимым условием, например, в чистом поле.
Выходом из положения могут стать портативные лазерные дальномеры. Принцип работы
лазерного дальномера заключается в том, что посылаемые прибором импульсы отражаются
от цели. Затем встроенный микропроцессор вычисляет расстояние в зависимости от времени
с момента посыла импульса до момента приема его отражения. Лазеры, установленные в
дальномерах, работают в инфракрасном диапазоне длин волн и их излучение не видно
невооруженным взглядом. Несмотря на то что в современных лазерных потребительских
дальномерах используются безопасные инфракрасные лазеры 1-го класса, тем не менее все
производители категорически запрещают направлять включенные приборы на людей - это
может привести к травмам глаз, в особенности на близких расстояниях. Задача определения
расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала
времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три
метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного
излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают
зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда
отраженный объектом импульс приходит к дальномеру,то он останавливает работу счетчика.
По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до
объекта.
Лазерный дальномер - прибор для измерения расстояний. Широко применяется в
инженерной геодезии (при строительстве путей сообщения, гидротехнических сооружений,
линий электропередач и т. д.), при топографической съёмке, в военном деле (главным
образом для определения расстояний до целей), в навигации, в астрономических
исследованиях, в фотографии. Лазерные дальномеры основаны на измерении времени
прохождения волн соответствующего диапазона от дальномера до второго конца измеряемой
линии и обратно. У нас вы можете приобрести лазерные дальномеры: Leica, Bushnell,
Newkon, Nikon, а также дальномеры других производителей.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 37 из 41
До недавнего времени линейные измерения выполнялись c помощью обычных мерных
лент (тесмянных, фибраглассовых, стальных) или проволоки. Для этого требовалось два
человека, а точность измеренного расстояния зависела от уровня подготовленности
исполнителей, класса точности мерных лент, а также ошибок считывания отсчетов.
В настоящее время на смену традиционным рулеткам приходят ручные электронные
лазерные дальномеры (рулетки). Остановимся на рулетках серии DISTO (Leica Geosystems,
Швейцария), в которых безотражательным способом измеряются расстояния от 30 см до
более 200 м. Использование этих дальномеров позволяет избежать перечисленных выше
ошибок, повысить производительность выполнения работ и значительно сэкономить как
время,так и денежные средства. Малые габариты дальномера при весе 360 г, а также
удобство и простота эксплуатации делают его незаменимым на строительных площадках.
Безотражательная технология позволяет выполнять работу одному человеку и повышает
безопасность при проведении измерений в опасных зонах и труднодоступных местах,
например, в разрушающихся зданиях при реконструкции или реставрации.
Единственным слабым местом данных дальномеров является ограниченность дальности
измерений темных поверхностей (черная, темно-зеленая и синяя краска, сажа). Этого можно
избежать, используя специальные визирные пластины с покрытием для максимального
отражения сигнала, посылаемого дальномером. Лазерные дальномеры серии DISTO
полностью отвечают современным требованиям, предъявляемым к линейным измерениям по
точности, которая составляет 1,5–3 мм на 100 м. На промышленных площадках с
использованием специальных визирных целей (пластмассовая пластина 105х147 мм или
210х297 мм) можно измерять расстояния более 400 м с погрешностью 1 см, в то время как
при измерении того же расстояния стальными лентами, в лучшем случае, можно добиться
погрешности в 5–10 см. Дальномеры этой серии позволяют определять расстояния до
объектов, расположенных под любым углом наклона к видимому лазерному лучу,
выполняющему функции визирования и измерения. Малая расходимость лазерного луча,
составляющая менее 3 см при расстоянии 50 м, позволяет определять расстояния до
небольших объектов, например, проводов электрической проводки, выполнять измерения в
жилых и офисных помещениях, плотно заставленных мебелью, или в труднодоступных
местах.
Лазерный дальномер часто называют лазерной рулеткой, потому что он заменил
традиционную рулетку во многих отраслях бизнеса и производства. Вычисление площади и
объема, сложение и вычитание – эти функции лазерного инструмента стали привычными и
ими ни кого не удивишь.
Дальность измерения зависит от:
• погодных условий (рассеивание лазерного луча в плохих погодных условиях);
• качества отражающей поверхности (поглощение сигнала от шероховатой поверхности), для
повышения
точности
используют
специальную
отражающую
пленку;
• жесткости крепления прибора (плохо закрепленный прибор вносит ошибки в измерения),
для повышения точности необходимо крепить прибор на штатив;
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 38 из 41
Лекция 15
Тема «Типы спутниковых приемников. Перспективные направления развития.
Основные функции спутникового приемника»
Основные функции GPS-приемников
Навигационный приемник системы глобального позиционирования (GPS) — маленький
специализированный компьютер, способный вычислять местоположение по радиосигналам,
принимаемым со спутника. GPS первоначально строилась Министерством обороны США, но
впоследствии была открыта для широкого использования во всем мире (в России, кстати,
тоже есть своя навигационная система — ГЛОНАСС, пока не имеющая широкого
применения). Спутников 24 штуки, и в каждый момент времени в любой точке земного шара
(если только вы не в Гренландии, Антарктиде или на Земле Франца Иосифа, то есть не в
приполярных областях) можно принимать сигналы чуть ли не половины из них. Радиосигнал
слабенький, через плотную крону деревьев и внутрь зданий почти не проникает, но если
открыта хотя бы треть неба, приемник «видит» четырепять спутников и определяет текущее
местоположение (широта, долгота и высота над уровнем моря) с точностью до 15 метров и
частотой раз в секунду. Вот, собственно, и вся его основная задача. И хотя сами по себе
координаты мало что скажут простому пользователю, но их накопление, несложная
обработка и двумерная визуализация дают впечатляющий эффект.
Кроме координат, GPSприемник предоставляет своему хозяину массу полезной
информации. Он с легкостью посчитает максимальную и среднюю скорость движения,
которую вы развиваете при ходьбе, беге, езде на велосипеде или спуске на лыжах с горы;
поможет оценить, правильно ли работает спидометр автомобиля; укажет стороны света,
покажет направление на цель и примерное время, через которое вы там окажетесь, двигаясь с
текущей скоростью. Работать с GPS приемником совсем не трудно. Общение с ним
организовано на основе нескольких типовых экранов (их может быть четыре, а может и
девять). Включаешь прибор, на экране — небо с видимыми спутниками и столбчатые
диаграммы уровня принимаемого сигнала. Если прибор давно не включался, для
определения координат ему потребуется около минуты, а то и больше (так называемый
холодный старт), в ином случае данные появятся на экране уже через 1520 секунд (это
второй типовой экран приемника). Отдельно отображаются путевые точки (waypoint), курс
движения и символическая (или реальная) карта местности. Любую точку маршрута можно
запомнить как путевую, произвольно выбрать исходный пункт и цель маршрута, вернуться
обратно по уже пройденному пути (режим «Trackback»). Выпускаемые сегодня модели
можно подключать к настольному или карманному компьютеру, что позволяет загружать в
приемник электронные карты и точки планируемого маршрута, а также считывать по
окончании путешествия пройденную трассу. Дополнительные картографические функции
GPS приемников повышают его цену в несколько раз. Так что в выигрыше оказываются
владельцы карманных компьютеров: создав связку GPSКПК, они имеют возможность
пользоваться более мощной и, главное, более дешевой навигационной системой.
SmartRover это самая легкая в мире спутниковая система для топогеодезических съемок в режиме RTK, в которой
связь
между спутниковой антенной и полевым контроллером осуществляется
без кабеля. Система состоит из GNSS антенны Leica SmartAntenna
ATX1230 и нового полевого контроллера Leica RX1250 с операционной
средой Windows CE и устройством беспроводной связи Bluetooth.
Размещенная на вехе и обладающая малым весом система SmartRover
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 39 из 41
предоставит вам удобство в работе и позволит максимально повысить вашу
производительность.
ОДНОЧАСТОТНЫЙ СПУТНИКОВЫЙ ПРИЕМНИК GPS LEICA SR20 ДЛЯ
ГЕОДЕЗИИ И ГИС
Спутниковые методы определения пространственных координат в настоящее время
широко используются в навигации, геодезии, строительстве, межевании земель и других
областях. Производители спутниковой аппаратуры предлагают разнообразные модели
приемников — от недорогих персональных GPS-навигаторов до высокоточных геодезических спутниковых приборов. В России с каждым годом увеличивается количество малых
предприятий, выполняющих топографо-геодезические работы, для которых недорогие
одночастотные приемники могут оказаться чрезвычайно полезными и эффективными
особенно при создании опорного обоснования для проведения крупномасштабных
топографических съемок.
Компания Leica Geosystems (Швейцария) предлагает различные типы спутникового
оборудования — от высокоточных двухчастотных приемников серии 1200 до одночастотных
компактных приемников субметровой точности GS20. Так, в конце 2004 г. Leica Geosystems
представила спутниковый приемник SR20, который стал первым персональным
одночастотным приемником с возможностями выполнения геодезических измерений и
получения данных для ГИС.
3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Практические занятия
Практические занятия – одна из форм учебного занятия, направленная на развитие
самостоятельности учащихся и приобретение умений и навыков. Практические занятия по
отдельным дисциплинам рекомендуется проводить в форме семинаров, что позволяет
студентам привить практические навыки самостоятельной работы с научной литературой,
получить опыт публичных выступлений.
Практические и лабораторные занятия должны способствовать углубленному изучению
наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной формой подведения итогов
самостоятельной работы студентов. Именно на этих занятиях студенты учатся грамотно
излагать проблемы и свободно высказывать свои мысли и суждения, рассматривают
ситуации, способствующие развитию профессиональной компетентности. Всё это помогает
приобрести навыки и умения, необходимые современному специалисту.
Практическое занятие № 1.
Тема «История развития технологии геодезических измерений»
Практическое занятие № 2.
Тема «Требования предъявляемые к современным технологиям
геодезических измерений»
Практическое занятие № 3.
Тема «Классификация геодезических приборов нового поколения»
Практическое занятие № 4.
Тема «Высокоточные методы измерения. Глобальные спутниковые системы»
Практическое занятие № 5.
Тема «Применение цифровых технологий в геодезических измерениях»
Практическое занятие № 6.
Тема «Общие сведения о GPS. Основыне методы дальнометра»
Практическое занятие № 7.
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 40 из 41
Тема «Описать основные характеристики и преимущества лазерных приборов»
Практическое занятие № 8.
Тема «Обработка материалов ДЗЗ. Основные функции спутникового приемника»
Практическое занятие № 9.
Тема «Новые компьютерные технологии»
Практическое занятие № 10.
Тема «Использование спутниковых технологии в геодезии»
Практическое занятие № 11.
Тема «Принцип действия и параметры электронных тахеометров с сервоприводом»
Практическое занятие № 12.
Тема «Классификация систем регистраций измерений».
4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
Перечень тем для самостоятельной работы
№
1
2
3
4
5
6
7
8
СРС
История развития технологии
геодезических измерений
Требования предъявляемые к
современным технологиям
геодезических измерений
Классификация геодезических
приборов нового поколения
Высокоточные методы
измерения.
Применение цифровых
технологий в геодезических
измерениях
Описать основные
характеристики и
преимущества лазерных
приборов
Принцип действия и
параметры электронных
тахеометров с сервоприводом
Классификация систем
регистраций измерений
Кол-во
часов
2
СРСП
Виды спутниковых технологий.
Кол-во
часов
2
Высокоточные
интерференционные методы
измерения.
Основные характеристики и
преимущества систем
глобального позиционирования
Устройство лазерного сканера
2
2
Принцип работы спутникового
лазерного дальномера
2
2
Принцип работы электронного
тахеометра с сервоприводом
2
2
Назначение и преимущества
спутниковых приемников
2
1
Тенденции развития
технологии геодезических
измерений
1
2
2
2
2
2
Вопросы для подготовки к промежуточной аттестации
1. Дисциплина «Новые геодезические приборы и технологии геодезических измерений»,
ее значение в науке и технике.
2. Методы новых технологии измерений
3. Преимущество электронного тахеометра
УМК 042-18-14.1.23/03-2013
Редакция №2 от 2.09.2013г.
стр. 41 из 41
4. Высокоточные методы измерения
5. Физическая сущность эффекта Доплера
6. На какие виды делятся спутники
7. Для чего предназначены лазерные нивелиры
8. Что такое сканирование
9. Развитие технологии геодезических измерений
10. Первая и основная задача технологии геодезических измерений
11. Спутниковые приемники – это
12. Какие требования выявляют технологиям геодезических измерений
13. Преимущества и недостатки глобальной системы позиционирования
14. Как производят наблюдение на эффекте Доплера
15. Что такое ГЛОНАСС
16. На каком принципе основан метод лазерного дальномера
17. Как производят Лазерное сканирование
18. Как работают с безотражательным дальномером
19. Методы цифровой технологии