Топографическая съемка. Метод RTK.

18.1. Понятие о геоинформационных системах

Геоинформационные системы (ГИС) – это автоматизированные системы, основными функциями которых являются сбор, хранение, интеграция, анализ и графическая визуализация в виде карт или схем пространственно-временных данных, а также связанной с ними атрибутивной информации о представленных в ГИС объектах.

ГИС возникли в 1960–70 гг. на стыке технологий обработки информации в системах управления базами данных и визуализации графических данных в системах автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированного производства карт, управления сетями. Интенсивное использование ГИС началось в середине 90-х гг. ХХ в. В это время появляются мощные и относительно дешевые персональные компьютеры, становится более доступным и понятным программное обеспечение.

В качестве источников данных для создания ГИС служат:

- картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Так как получаемые с карт данные имеют пространственную привязку, они используются в качестве базового слоя ГИС;

- данные дистанционного зондирования (ДДЗ), прежде всего, материалы, получаемые с космических аппаратов и спутников. При дистанционном зондировании изображения получают и передают на Землю с носителей съемочной аппаратуры, размещенных на разных орбитах. Полученные снимки отличаются разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в нескольких диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Благодаря этому с применением ДДЗ решают широкий спектр экологических задач. К методам дистанционного зондирования относятся также аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды;

- результаты геодезических измерений на местности, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками и т. д.;

- данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т. д).

- литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).

В ГИС редко используется только один вид данных, чаще всего это сочетание разнообразных данных на какую-либо территорию.

18.2. Классификация геоинформационных систем

ГИС системы разрабатывают и применяют для решения научных и прикладных задач инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, рационального использования природных ресурсов, мониторинга экологических ситуаций, а также для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций и др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных

ГИС, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

· По функциональным возможностям:

- полнофункциональные ГИС общего назначения;

- специализированные ГИС, ориентированные на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональные возможности ГИС определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки;

- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату ГИС подразделяются на глобальные (планетарные), общенациональные, региональные, локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации – общегеографические, экологические и природопользовательские, отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т. д.)

По способу организации географических данных – векторные, растровые, векторно-растровые ГИС.

18.3. Основные компоненты геоинформационных систем

К основным компонентам ГИС относят: технические (аппаратные) и программные средства, информационное обеспечение.

Технические средства – это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС. К ним относятся рабочая станция (персональный компьютер), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция используется для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных и логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты.

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены с электронных геодезических приборов, с помощью дигитайзера или сканера, либо с использованием фотограмметрических приборов.

Устройства для обработки и хранения данных интегрированы в системном блоке компьютера, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, запоминающие устройства (жесткие диски, переносные магнитные и оптические носители информации, карты памяти, флеш-накопители и др.).

Устройства вывода данных – монитор, графопостроитель, плоттер, принтер, с помощью которых обеспечивается наглядное представление результатов обработки пространственно-временных данных.

Программные средства – программное обеспечение (ПО) для реализации функциональных возможностей ГИС. Оно подразделяется на базовое и прикладное ПО.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение, системы управления базами данных, а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

К прикладному ПО относятся программные средства, предназначенные для решения специализированных задач в конкретной предметной области. Они реализуются в виде отдельных модулей (приложений) и утилит (вспомогательных средств).

Информационное обеспечение – совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Особенность хранения пространственных данных в ГИС – их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте.

18.4. Глобальные навигационные спутниковые системы

В настоящее время для определения положения точек или объектов в пространстве широко применяются глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): американская NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Их глобальность обеспечивается функционированием на околоземных орбитах искусственных спутников (ИСЗ), видимых из любой точки Земли. Данные спутники непрерывно передают высокоточные измерительные сигналы и создают, таким образом, вокруг нашей планеты информационное координатно-временное поле. Используя данное поле, с помощью специального приемника и программного обеспечения можно определять положение точек и объектов в пространстве и времени.

18.5. Принцип действия ГНСС

Принцип, на котором основано действие ГНСС, весьма прост – местоположение объекта определяется путем измерения расстояний от него до исходных точек, координаты которых известны. Сложность его реализации с помощью ГНСС обусловлена стремлением сделать систему глобальной, т. е. доступной в любое время на всей Земле и в окружающем пространстве. Для этого в качестве исходных точек выбраны искусственные спутники Земли, излучающие дальномерные радиосигналы, которые пользователь принимает на специальный приемник. Так как спутники движутся по своим орбитам, система предоставляет пользователю информацию о координатах ИСЗ на любой момент выполнения измерений.

Применяемый в ГНСС метод определения местоположения точек основан на линейной геодезической засечке. Ее суть сводится к известной геометрической задаче: найти на плоскости положение точки K, если известны положения двух других точек А и В и расстояния от них до точки K соответственно S1 и S2 (рис. 1).

Искомая точка K принадлежит одновременно двум окружностям с радиусами S1 и S2, описанным из центров А и В, т. е. является одной из двух точек пересечения этих окружностей. В аналитическом представлении эта задача выражается в виде системы двух уравнений, где XА, YА, XВ, YВ и XK, YK – прямоугольные координаты точек на плоскости.

Таким образом, искомые координаты XK, YK точки K получаются из решения системы двух уравнений с двумя неизвестными.

При обобщении этой задачи от плоского построения к пространственному вводится третья координата Z, и для определения теперь уже трех искомых координат ХK, YK, ZK точки K необходимо решить систему из трех уравнений.

Следовательно, при решении пространственной линейной засечки должно быть три исходных пункта, которые не должны лежать на одной прямой, иначе система уравнений не будет иметь определенного решения. Количество исходных точек, до которых измеряются расстояния, может быть и больше трех, тогда система уравнений становится переопределенной, и задача решается методом наименьших квадратов. Привлечение избыточных измерений, позволяет повысить точность определения координат и к тому же дает еще возможность включения в систему уравнений дополнительных неизвестных параметров, определение которых необходимо для корректной работы с ГНСС.

С помощью описанного метода линейной геодезической засечки в ГНСС решаются две главные задачи (рис. 2):

- определение координат спутника по измеренным до него расстояниям от наземных пунктов с известными координатами (прямая геодезическая засечка);

- определение координат наземного (или надземного) объекта по измеренным до него расстояния от нескольких спутников, координаты которых известны (обратная геодезическая засечка).

RTK (Real Time Kinematic —«кинематика реального времени») — совокупность приёмов и методов получения плановых координат и высот точек местности очень высокой точности с помощью спутниковой системы навигации посредством получения поправок с базовой станции, принимаемых аппаратурой пользователя во время съёмки.

Для этого используются измерения фаз несущей GNSS-сигналов L1 и L2 одновременно на двух GNSS-приёмниках. Координаты одного из приёмников (базового) должны быть точно определены (например, он может быть установлен в пункте государственной геодезической сети); он передает по каналу связи (радиомодем, сотовый модем, сеть Интернет и др.) набор данных, называемых поправками. Второй приёмник может воспользоваться этими данными для точного определения местоположения на расстояниях порядка до 30 км от базового приёмника.

Поправки могут передаваться в формате кодовых сообщений CMR и CMR+, RTCA, ATOM при скорости передачи — 2400 бит/с и более, задержка передачи — не более 0.5−2 секунд. Для обычного DGPS достаточно было скоростей 200 бит/с и задержек до 10 сек.^[4]

Типы каналов связи для работы в RTK режиме:

1. CSD (Circuit Switched Data) – факсимальная передача данных. Ровер «дозванивается» до базы, устанавливается соединение в процессе которого идет обмен поправок. У данного режима есть ограничение: он не поддерживает конференцсвязь (1 ровер – 1 база). Данная функция подключается отдельно у сотовых операторов. Преимущества CSD:

§ Постоянная скорость передачи данных 9,6 Кбит/с;

§ Наиболее обширная зона CSD-покрытия, которая соответствует зоне GSM покрытия;

§ Тарификация CSD-услуг не зависит от объема переданных и полученных данных;

§ Стабильное CSD-соединение.

К особенностям CSD можно отнести, то, что при его использовании информация передается по одному выделенному радиоканалу. CSD совместим со всеми распространенными аналоговыми и цифровыми протоколами передачи данных. Данный вид связи целесообразен только в зонах уверенного GSM сигнала;

2. GPRS (General Packet Radio Service) – на базовый приемник у сотового оператора подключается услуга статического IP адреса, а ровер через GPRS-интернет подключается к ней для обмена поправок. В этом типе связи можно использовать более одного ровера. Этот вид связи целесообразен к использованию в зонах уверенного приема edge, gprs, 3g и предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не по времени проведенному онлайн;

3. UHF (радио диапазон) – частоты от 300Мгц до 3 Ггц. Применительно к радиостанциям означает использование частот от 400 до 512 Мгц. Диапазон UHF считается городским и проявляет свои качества в условиях плотной городской застройки. Выбор этого диапазона оптимален при необходимости получения устойчивой связи на небольших расстояниях, например, в городе. Для открытой местности этот диапазон не очень удобен, так как его радиоволны плохо огибают неровности рельефа и имеют сильное затухание в лесистой местности;

4. NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol) является протоколом уровня приложения, который поддерживает обмен данными глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) через Интернет. NTRIP основан на протоколе передаче текста (НТТР). Целесообразен для использования с сетями базовых станций и при подключении к одиночным базовым станциям.

Лекция 2 Состав комплекта RTK приемника.

В состав спутникового оборудования для RTK съемки входит комплект из двух или более многочастотных приемников GNSS с антеннами и полевыми контроллерами. Один комплект, называемый референсной (базовой) станцией, жестко устанавливают на пункте с известными координатами. Остальные комплекты, называемые ровер-приемниками, используют для определения координат объектов съемки. Для получения точных координат в режиме реального времени в состав каждого комплекта включают UHF (радио диапазон) или GSM/GPRS модемы, задача которых – принимать спутниковую и служебную информацию, передаваемую от базовой станции.

Преимущества съемки в режиме RTK:

§ высокая производительность работы, на каждую точку съемки тратится несколько минут с установкой прибора;

§ исполнитель может записывать готовые координаты в контроллер, отслеживать их качество и точность в любой момент, а при необходимости – повторить измерения;

§ режим RTK съемки позволяет работать в любых системах координат;

§ возможность в полевых условиях решать стандартные геодезические задачи, просматривать результаты съемки и определять пропущенные участки, загружать в контроллер подложки из AutoCAD, Google map.

Применение RTK осуществляется с сетями базовых станций (vrs) и при подключении к одиночным базовым станциям.

Топографическая съемка местности – это комплекс полевых и камеральных работ, необходимых для создания топографических карт и планов.

Перед началом полевых работ проводится ознакомление с местностью (рекогносцировка) и подготовка планово-высотного обоснования съемки.

Все полевые измерения при съемке выполняются с точек планово-высотного обоснования и относительно них наносятся на карту точки пикетов. Пикеты могут быть высотными или планово-высотными.

• Тахеометрическая съемка

• Мензульная съемка

• Плановое нивелирование поверхности

• Контурно комбинированный способ

• Стереофотограмметрический метод

• Съемка с помощью глобальных систем позиционирования

• Съемка с использованием лазерных сканеров