Мак Петр Анатольевич : другие произведения.

Геодезия

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
Школа кожевенного мастерства: сумки, ремни своими руками
 Ваша оценка:
  
  1. Сущность и способы геометрического нивелирования
  
  Геометрическим нивелированием называют процесс измерения разностей высот точек местности (превышений) и определения их высот с помощью горизонтального луча визирования геодезического прибора.
  При геометрическом нивелировании превышение h между точками А и В определяют с помощью горизонтального луча визирования (рис. 1).
  Горизонтальный визирный луч создает специальный геодезический прибор - нивелир, устанавливаемый между точками А и В. На точках А и В местности отвесно устанавливают нивелирные рейки с нанесенными на них делениями (см, мм). Горизонтальный визирный луч отсекает на рейках от их начала (пятки) отрезки а и b, называемые отсчетами.
  
  Рис. 1. Способы геометрического нивелирования:
  а-способ "из середины"; б- способ "вперед"
  
  Для геометрического нивелирования могут быть использованы кроме нивелира и другие геодезические приборы (теодолиты, тахеометры и т. д.), если придать их визирным осям строго горизонтальное положение.
  Различают способы геометрического нивелирования "из середины" (рис. 1, а) и "вперед" (рис. 1, б).
  Геометрическое нивелирование "из середины" осуществляют следующим образом. Для определения превышения h между точками А и В (см. рис. 1, а) в этих точках отвесно устанавливают рейки и берут отсчеты а ("взгляд назад") на точку А и b ("взгляд вперед") на точку В. Как следует из рис. 1, а, превышение между точками А и В равно:
  
  h = a - b.
  Если превышение h оказалось положительным, то это означает, что передняя точка В расположена выше задней точки А и, наоборот, при отрицательном значении превышения h передняя точка расположена ниже задней.
  Таким образом, превышение передней точки над задней равно разности отсчетов "взгляд назад" минус "взгляд вперед".
  Если известна высота Hа задней точки А, то вычислив превышение h, легко определить высоту Hb передней точки В по формуле:
  Hb = На + h.
  То есть высота передней точки равна высоте задней плюс соответствующее превышение.
  Высота последующей точки может быть также определена и через горизонт прибора Hi (см. рис. 1, а):
  Hi = На +а.
  Горизонт прибора равен высоте точки плюс "взгляд на эту точку". Тогда высоту передней точки В легко определить по формуле:
  Hb = Hi - b
  Высота точки равна горизонту прибора минус "взгляд на эту точку".
  Способ нивелирования "из середины" является основным при производстве инженерных работ, поскольку на результаты нивелирования практически не сказывается точность юстировки прибора (нивелира), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы.
  При геометрическом нивелировании способом "вперед" прибор устанавливают таким образом, чтобы окуляр его трубы находился над точкой А (рис. 1, б). Вертикальное расстояние от центра окуляра до точки А называют высотой прибора i. Высоту прибора обычно измеряют с помощью вертикально установленной рейки.
  Если в точке В установить рейку и взять на нее отсчет "взгляд вперед" b, то превышение между точками А и В определится:
  h = i - b,
  т. е. превышение между точками равно высоте прибора минус "взад вперед".
  На результаты нивелирования способом "вперед" существенное влияние оказывает точность юстировки прибора (т. е. обеспечение практической горизонтальности визирной оси), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы. Поэтому геометрическое нивелирование способом "вперед" используют, как правило, при поверках и юстировках нивелиров перед началом полевых работ.
  
  2. Виды геометрического нивелирования
  
  Нивелирование с одной стоянки прибора (станции) называют простым. Если требуется определить превышения или высоты для многих точек на значительном протяжении, то нивелирование осуществляют с нескольких станций, т. е. прокладывают нивелирный ход. Такое нивелирование называют сложным.
  В процессе сложного нивелирования точки, общие для двух смежных станций, называют связующими, а остальные - промежуточными (рис. 2).
  
  Рис. 2. Схема нивелирного хода: точки связующие (Рп, ПК1, +28, ПК3, +31, +72, ПК5);
  точки промежуточные (+41, ПК2, ПК4);
  а-продольный профиль; б-план
  
  При сложном нивелировании особое внимание уделяют связующим точкам, так как ошибка, допущенная в определении высоты одной из связующих точек, передается на все последующие.
  При изысканиях автомобильных дорог, мостовых переходов, каналов и других линейных инженерных сооружений нивелирование ведут вдоль трассы сооружений, с определением высот переломных и характерных точек местности, с последующим составлением продольного профиля по оси будущего сооружения. Такое нивелирование называют продольным.
  В характерных местах производят определение высот точек местности по перпендикулярам к трассе (поперечникам). Такое нивелирование называют поперечным. Необходимо иметь в виду, что поперечное геометрическое нивелирование производят обычно при небольшом перепаде высот между крайними точками поперечников, когда каждый поперечник может быть снят с 1 - 2 станций.
  Для вертикальной планировки местности при изысканиях аэродромов, строительных площадок, улиц и площадей, промышленных объектов и т. д. для получения топографического плана в горизонталях производят нивелирование поверхности. Особенно часто его производят при изысканиях аэродромов.
  
  3. Классификация и устройство нивелиров
  
  В соответствии с действующим ГОСТом нивелиры по точности разделяют на три типа: высокоточные (типа Н-05), точные (типа Н-3) и технические (типа Н-10). Цифра в обозначении марки нивелира указывает значение средней квадратической ошибки превышения на 1 км двойного нивелирного хода; для нивелира Н-05 m = 0.5 мм; для нивелира Н-3 m = 3 мм; для нивелира Н-10 m=10 мм.
  По своим конструктивным особенностям нивелиры могут иметь цилиндрический уровень при трубе (например, Н-З), у которых визирная ось приводится в горизонтальное положение вручную и с компенсатором, с помощью которого визирная ось зрительной трубы приводится в горизонтальное положение автоматически. Обозначение марки таких нивелиров дополняется буквой К (например, Н-ЗK).
  Некоторые нивелиры одновременно снабжаются и лимбом для измерения горизонтальных углов. Обозначение марки нивелира такой конструкции дополняется буквой Л (например, Н-10КЛ).
  Цифра, стоящая перед обозначением марки прибора, указывает номер улучшенной модификации базовой модели (например, 2Н-ЗЛ).
  Перед началом полевых работ с использованием нивелиров они должны быть поверены и при необходимости отъюстированы.
  Независимо от конструкции прибора главная поверка выполняется следующим образом.
  На местности устанавливают две твердые точки А и В на расстоянии порядка 50 - 70 м друг от друга и выполняют двойное нивелирование по способу "вперед" (рис.3.а). Для более точного определения высоты прибора его целесообразно устанавливать на расстоянии 2 - 3 м от рейки, с тем чтобы обеспечить резкое изображение в поле зрения трубы ближней рейки, т. е. фактически отсчеты берут при резко различных плечах нивелирования (рис. 1, б).
  
  Рис. 3.Схемы выполнения главной поверки нивелиров:
  а-двойным нивелированием способом "вперед"; б-двойным нивелированием при разных плечах
  На первой стоянке прибора измеряют его высоту i или берут отсчет на ближнюю рейку а1 = i1 и берут отсчет на дальнюю рейку b1. Затем переходят с прибором на вторую стоянку и измеряют высоту прибора = i2 или берут отсчет на ближнюю рейку а2 =i2 и берут, отсчет на дальнюю рейку b2.
  Если бы условие параллельности визирной оси и оси цилиндрического уровня (или горизонтальности визирной оси для нивелиров с компенсатором) было бы выполнено, то верные отсчеты по рейке были бы соответственно равны b'1 и b'2,, при невыполнении этого условия оба отсчета будут иметь одну и ту же ошибку х. Верные отсчеты при этом составят:
  
  b'1 = b1 - х и b'2 = b 2- х
  
  Для определения величины превышения h (см. рис. 3) можно записать два выражения:
  
  h = i1 - b'1 = i1 - b1 + х
  и h = b'2 - i2 = b2 - х - i2
  
  Приравняв правые части уравнений между собой, получим:
  
  i1 - b1 + х = b2 - х - i2
  откуда получим величину ошибки х
  
  Для технического нивелирования величина ошибки х не должна превышать х ≤ │Ђ4 мм │.
  Если это условие оказывается не выполненным, осуществляют полевую юстировку нивелира.
  После определения ошибки х вычисляют значение правильного отсчета на рейку, установленную в точке А,
  b'2 = b 2- х
  и наводят перекрестье нитей на этот отсчет. Поверку повторяют до окончательного устранения ошибки.
  
  3. Способы нивелирования поверхности
  
  Для составления топографических планов участков местности со слабо выраженным рельефом необходима повышенная точность топографической съемки. В таких случаях может быть применен метод геометрического нивелирования. Методом геометрического нивелирования выполняют топографическую съемку земной поверхности при изысканиях, проектировании и строительстве аэродромов, ирригационных систем на заболоченной и равнинной местности, для составления проектов вертикальной планировки и т.д.
  Методом геометрического нивелирования обычно выполняют топографические съемки для составления планов и цифровых моделей местности (ЦММ) масштабов 1:500, 1:1000 и 1:2000 с высотой сечения рельефа 0,1 - 0,5 м.
  В зависимости от назначения съемок и условий местности могут быть использованы следующие способы геометрического нивелирования поверхности:
  1. Способ поперечников к магистральному ходу. Наиболее часто используют при съемке притрассовой полосы вдоль трасс автомобильных, каналов и других линейных объектов. Планово-высотным обоснованием в этом случае является трасса линейного объекта (т. е. теодолитно-нивелирный ход). С помощью угломерного прибора и землемерной ленты или рулетки через определенные расстояния разбивают поперечники аа1, bb1, cc1 и т. д. (рис. 4).
  Поперечники обычно разбивают на пикетах и плюсах трассы линейного объекта, высоты которых уже определены в результате продольного нивелирования в два нивелира по пикетажу трассы. Поскольку съемку ситуационных особенностей местности производят в ходе разбивки пикетажа, ситуационные точки при нивелировании поперечников не фиксируют.
  
   Рис. 4. Способ поперечников к Рис. 5. Способ параллельных линий
   магистральному ходу
  
  Съемку притрассовой полосы нивелированием по поперечникам осуществляют в такой последовательности:
  • на данной точке прямолинейного участка трассы с помощью угломерного прибора (нивелира с лимбом, теодолита или эккера) восстанавливают перпендикуляр к трассе, откладывая горизонтальный угол, равный α = 90№. На криволинейных участках трассы поперечник разбивают, ориентируя прибор на одну из соседних точек трассы, расположенную на расстоянии ΔК по кривой от снимаемого поперечника, и откладывают угол α = 90№.
  • в полевом журнале съемки поперечников фиксируют пикетажное значение снимаемого поперечника (например, поперечник ПК 21+ 50);
  • обозначают характерные точки местности на поперечнике, фиксируя в журнале соответствующие расстояния влево и вправо от трассы (например, Л+3,5; Л+6,0; Л+10,2 и т. д., П +3,5; П+6,0П+8,4 и т. д.);
  • устанавливают нивелир вблизи снимаемого поперечника таким образом, чтобы по возможности с одной стоянки прибора можно было бы снять все точки поперечника;
  • берут отсчет на точку трассы, в которой разбит поперечник, и определяют горизонт прибора;
  • берут последовательно отсчеты на все точки влево и вправо от трассы;
  • высоты точек поперечника определяют через известный горизонт прибора.
  
  2. Способ параллельных линий. Часто применяют на слабовсхолмленной местности при исполнительных съемках дорожных покрытий, искусственных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов, строительных площадок и т. д. В качестве планово-высотного обоснования используют взаимно перпендикулярные теодолитно-нивелирные прямолинейные ходы, прокладываемые вблизи границ снимаемого участка местности или по его середине (рис. 5).
  Съемочные ходы прокладывают в виде линий, параллельных сторонам основного хода.
  3. Способ полигонов. Может применяться на больших, сравнительно спокойных участках местности с выраженным рельефом. В качестве планово-высотного обоснования в данном случае используют систему теодолитных ходов, прокладываемых вблизи границ снимаемого участка местности и по характерным (структурным) линиям рельефа. Для съемки ситуации и рельефа съемочные ходы разбивают в виде поперечников к сторонам планово-высотного обоснования.
  4. Способ квадратов. Используют на открытой местности со слабовыраженным рельефом. Является основным видом топографических съемок при изысканиях аэродромов (рис. 6).
  Планово-высотным обоснованием служат вершины квадратов, закрепленные на местности кольями и обозначенными по определенной принятой на практике изысканий схеме.
  При нивелирной съемке по способу квадратов создание планово-высотного обоснования ведут по принципу "от общего к частному". Сначала на местности с помощью угломерного прибора и землемерной ленты или рулетки строят наружный полигон в виде большого квадрата или прямоугольника, внутри которого разбивают сетку больших квадратов со сторонами от 100 до 1000 м. Затем каждый большой квадрат заполняют квадратами со сторонами от 20 до 200 м и т. д. Длины сторон квадратов принимают в зависимости от размеров снимаемой территории, масштаба съемки, высоты сечения рельефа и характера местности.
  При нивелировании поверхности всеми способами используют точные или технические нивелиры с компенсаторами и горизонтальным кругом типа ЗН-2КЛ, Н-ЗК, Н-10КЛ и т. д. Наличие компенсаторов у нивелиров дает возможность заметно повысить производительность, полевых работ. Использование приборов с лимбами дает возможность при разбивке планово-высотного обоснования и съемочных ходов использовать только один прибор - нивелир. При работе с регистрирующими нивелирами полностью автоматизируется процесс сбора, регистрации и обработки данных.
  В результате топографической съемки местности геометрическим нивелированием, так же как и при других видах съемок, получают топографические планы и цифровые модели местности (ЦММ) - как правило, регулярные модели в узлах правильных прямоугольных сеток.
  
  4. Нивелирование поверхности по квадратам
  
  Точками планово-высотного обоснования топографической съемки способом квадратов служат вершины квадратов, закрепляемые на местности точками, вбитыми вровень с поверхностью земли, и сторожками с надписью соответствующих обозначений. При разбивке на местности планово-высотного обоснования в виде сетки квадратов, их вершины, называемые пикетами, обозначают: по оси ординат - арабскими цифрами, по оси абсцисс - прописными буквами русского алфавита (см. рис. 6). Таким образом, точка М обоснования имеет обозначение в-З, а точка N - б-5. Вершину каждого квадрата (пикет) обозначают на местности точкой, вбитой вровень с поверхностью Земли, и сторожком с соответствующим обозначением пикета.
  
  Рис. 6. способ квадратов
  
  Разбивку сетки квадратов на местности осуществляют в такой последовательности:
  - установив в точке А угломерный прибор (теодолит, нивелир с лимбом и т.д.), осуществляют вешение линии АD;
  - с помощью землемерной ленты или рулетки на линии АD разбивают пикеты а-1, а-2, а-3 и т. д., с шагом δ, где δ - принятая длина стороны квадрата. Каждый пикет обозначают на местности точками и сторожками. Конечные точки А и D, кроме того, обозначают вехами;
  - от линии AD откладывают горизонтальный угол 90№00' и намечают створ линии АВ. Начиная с точки А с шагом δ обозначают на местности пикеты б-1, в-1, г-1 и т. д.;
  - устанавливают угломерный прибор в точке D, и от линии обоснования DA откладывают горизонтальный угол 90№00'. Полученное направление DC разбивают с шагом δ, и соответствующие пикеты обозначают на местности точками и сторожками. Конечную точку С линии DC, кроме того, обозначают вехой;
  - устанавливают угломерный прибор в точке В обоснования и от направления ВА откладывают горизонтальный угол 90№00'. Проверяют положение точки С, отклонение от которой не должно превышать 0,5 мм в масштабе топографического плана. Разбивают и обозначают на местности с шагом δ пикеты д-2, д-3, д-4 и т. д.;
  - осуществляют вешение линии и разбивку пикетажа по направлениям 2 - 2, 3 - 3, 4 - 4 и т.д.;
  - в ходе разбивки съемочного обоснования ведут абрис и съемку ситуационных особенностей местности. На абрисе показывают все пикеты, характерные точки рельефа и ситуации, направления склонов и т.д.
  - характерные точки рельефа и ситуации, находящиеся внутри квадратов, снимают методом прямоугольных координат (точка К) или линейных засечек (точка L).
  Порядок геометрического нивелирования пикетов обоснования и характерных точек рельефа во многом зависит от длины стороны квадрата d. Если стороны квадрата имеют размеры 100 м и более, то каждый квадрат нивелируют отдельно с установкой прибора приблизительно в его середине. При меньших размерах сторон квадрата с одной станции обычно нивелируют сразу несколько квадратов. В этом случае некоторые вершины квадратов образуют нивелирные хода технической точности. На рис.6 нивелирный ход образован связующими пикетами в-1, д-4, в-5 и а-3.
  Между связующими пикетами превышения определяют по черным и красным сторонам реек: hч=ач -bч и hк=ак -bк. При допустимом расхождении в превышениях до 10 мм вычисляют средние превышения hср . Остальные пикеты нивелируют как обычные промежуточные точки, при этом отсчеты берут только по основной (черной) стороне реек. Таким же образом нивелируют характерные точки рельефа и ситуации.
  Съемочное обоснование топографической съемки способом нивелирования по квадратам привязывают в плановом и высотном отношениях к пунктам государственной геодезической сети в обычном порядке.
  
  5. Камеральные работы
  
  Камеральная обработка результатов нивелирования по квадратам состоит в следующем:
  1. Обработка прямого и обратного нивелирного хода привязки съемочного обоснования к пункту государственной нивелирной сети. Вычисляют превышения между одной из точек съемочного обоснования (в данном случае в-1) и пунктом государственной нивелирной сети (Рп). Если расхождение между ∑hпр и ∑hобр прямого и обратного нивелирного хода не превышает fh≤20√L, мм (где L - длина двойного нивелирного хода привязки, км), то вычисляют среднюю сумму превышений ∑hср и высоту точки обоснования (в-1):
  Hв1 = НРп + ∑hср .
  Если топографическая съемка выполняется в условной системе высот, то этот этап работы не выполняют.
  2. Осуществляют уравнивание нивелирного хода (обычно замкнутого) съемочного обоснования. Для этого выполняют проверку допустимости невязки:
  f h= ∑h - ∑hT ≤ 50√L, мм,
  где ∑hT =0 - теоретическая сумма превышений для замкнутого нивелирного хода.
  Если полученное значение невязки меньше допустимой для технического нивелирования, то невязку в превышениях распределяют между связующими точками съемочного обоснования поровну с обратным знаком:
  
  где n - число связующих точек съемочного обоснования.
  3. Вычисляют высоты связующих точек.
  4. Высоты промежуточных точек вычисляют через горизонт прибора Нi Высоты точек определяют с точностью до 1 см.
  5. Составляют топографический план. На листе чертежной бумаги в заданном масштабе строят сетку квадратов и наносят характерные точки рельефа и ситуации. Около каждой вершины квадрата и точки рельефа выписывают соответствующие высоты с точностью до 1 см. Методом графической интерполяции высот проводят горизонтали с заданной высотой сечения. Интерполирование осуществляют по сторонам квадратов, а также по направлениям, указанным на абрисе. Топографический план оформляют тушью в принятых условных обозначениях.
  
  6. Автоматизация обработки материалов нивелирных съемок
  
  Процесс автоматизированной обработки материалов нивелирных съемок состоит из следующих этапов:
  • уравнивание нивелирных ходов;
  • вычисление высот связующих и промежуточных точек;
  • интерполирование горизонталей;
  • подготовка семантической информации (ситуационных особенностей местности);
  • вычерчивание на графопостроителе топографического плана;
  • подготовка ЦММ.
  При нивелирной съемке способом поперечников к магистральному ходу обычно готовят нерегулярную ЦММ на поперечниках к магистральному ходу.
  При нивелирной съемке способом параллельных линий готовят нерегулярную ЦММ на линиях, параллельных координатным осям.
  При нивелирной съемке способом полигонов готовят нерегулярную ЦММ на структурных линиях.
  При нивелирной съемке способом квадратов готовят регулярную ЦММ в узлах правильных прямоугольных сеток.
  При использовании регистрирующих нивелиров значительный объем работы по обработке данных, включая уравнивание нивелирных ходов, производится непосредственно в поле, а материалы полевых измерений заносятся на магнитные носители для последующего ввода в память базового компьютера.
  
  ФОТОТЕОДОЛИТНАЯ СЪЕМКА
  
  1. Сущность фототеодолитных съемок и их назначение
  
  Фототеодолитная съемка позволяет определять координаты точек местности и составлять топографические планы, а также готовить цифровые модели местности (ЦММ) по фотоснимкам, получаемым при фотографировании земной поверхности.
  Фототеодолитная съемка (как и другие виды фотограмметрии) обладает рядом существенных достоинств, особенно ценных на современном этапе перехода на технологию и методы системного автоматизированного проектирования (САПР).
  l. Высокая точность измерений, обусловливаемая использованием снимков местности, получаемых прецизионными фотокамерами, с последующей их обработкой на точных стереофотограмметрических приборах и компьютерах.
  2. Небольшой удельный вес полевых работ (25 - 30%) с выполнением основного объема работ по подготовке топографических планов и ЦММ в камеральных условиях с широким использованием средств автоматизации и компьютерной техники.
  3. Высокая производительность труда, обусловливаемая в частности тем, что измеряются не сами объекты, а их фотографические изображения.
  4. Объективность и достоверность результатов измерений, в связи с тем, что изображения местности получают фотографическим способом.
  5. Сбор информации о местности дистанционным способом, что особенно важно при работах в труднодоступной местности, когда пребывание в пределах снимаемого участка опасно для жизни человека (например, крутые горные склоны, осыпи, обрывы, болота и т. д.).
  6. Возможность автоматизации процесса сбора, регистрации и обработки данных с автоматической подготовкой топографических планов на графопостроителях и ЦММ.
  Рельеф и ситуационные особенности местности можно установить, если фотографировать ее с двух точек (рис. 1).
  
  Рис.1. Наземная стереопара
  
  Если Р1 и Р2 есть пара снимков некоторого участка местности (стереопара), полученных с точек S1 и S2 а а1, а2 и b1, b2 изображение точек А и В местности на соответствующих фотоснимках, то для получения стереоскопической модели местности необходимо придать снимкам то положение, которое они занимали относительно друг друга во время съемки, и восстановить по ним связки лучей, существовавшие в момент фотографирования.
  Расстояние между центрами проекций S1 и S2 называют базисом фотографирования. Изменяя расстояния между центрами проекций, получают стереоскопические модели разных масштабов, которые затем можно использовать для измерения координат характерных точек местности с целью получения топографических планов и ЦММ.
  Для производства наземных фототопографических съемок используют специальные приборы - фототеодолиты и стереофотокамеры.
  Фототеодолитные съемки наиболее часто применяют при производстве топографических съемок открытой пересеченной местности, при производстве топографических съемок труднодоступной местности, при создании планово-высотного обоснования аэросъемок и при обследованиях существующих искусственных сооружений.
  Применение фототеодолитных съемок эффективно при изысканиях вновь строящихся и особенно реконструируемых объектов.
  Фототеодолиты и их устройство
  При производстве фототеодолитных топографических съемок используют специально сконструированные для этих целей приборы - фототеодолиты.
  Фототеодолит (рис. 2) служит для фотографирования местности с базисных точек при заданном положении оптической оси относительно базиса фотографирования. Расстояния от базиса фотографирования до снимаемых точек местности, как правило, весьма значительны по сравнению с фокусным расстоянием камеры, поэтому в фототеодолитах прикладную рамку совмещают с главной фокальной плоскостью объектива для получения резкого изображения удаленных объектов. Объективы фототеодолитов имеют небольшую светосилу (в связи с тем, что при фотографировании местности камера, устанавливаемая на штативе, неподвижна), однако обладают исключительно высокой разрешающей способностью.
  
  Рис. 2. Фототеодолит Photeo 19/1318:
  а-общий вид спереди; 2-подставка с подъемными винтами; 3-объектив "Ортопротар" с фокусным расстоянием fк = 190 мм; 4-ориентирующее устройство; б-вид сзади: 5-прикладная рамка; 6-цилиндрические уровни
  
  Для исключения деформации фотоизображения при фототеодолитных съемках применяют фотопластины или фототеодолиты со специальными слабо деформирующимися фотопленками, обладающими малой светочувствительностью, но высокой разрешающей способностью (рис. 3).
  
  Рис. 3. Фотокамера UMK 10/1318
  
  Фототеодолит представляет собой фотокамеру, изготовленную из легкого сплава, с укрепленным на ней ориентирующим устройством.
  В задней фокальной плоскости объектива размещена металлическая прикладная рамка, к которой прижимается фотографическая пластинка.
  На прикладной рамке размещены четыре координатные метки, при этом прямые, соединяющие центры противоположных меток, определяют положение главной точки снимка (рис. 4), т. е. положение основания перпендикуляра, опущенного из центра объектива на плоскость прикладной рамки.
  
  
  Рис. 4. Оси координат наземного фотоснимка
  
  Главную точку принимают за начало координат снимка.
  К нижней стенке камеры жестко прикреплена вертикальная ось вращения теодолита со втулкой и микрометренно-зажимным устройством. При установке фототеодолита в рабочее положение втулку оси вставляют в подставку (трегер) и закрепляют винтом.
  Объектив камеры - "Ортопротар" имеет фокусное расстояние, порядка 190 мм. Для увеличения угла поля изображения в вертикальной плоскости объектив установлен в суппорте, перемещающемся в направляющих, при этом величина перемещения отсчитывается по шкале.
  В задней части камеры укреплены регистратор номеров съемочных точек и указатель вида съемки. Номер и индекс вида съемки устанавливают с помощью барабанчиков регистратора и указателя вида съемки и фиксируют на фотопластинке при фотографировании. Два кольца регистратора позволяют устанавливать номер съемки от 0 до 99. Указатель вида съемки имеет шесть положений:
  нормальное A съемка с левой точки базиса
  отклонение влево AL
  отклонение вправо AR
  нормальное B съемка с правой точки базиса
  отклонение влево BL
  отклонение вправо BR
  Прижимное устройство представляет собой металлическую рамку с пазами для установки и закрепления кассеты. Прижимная рамка отодвигается от камеры барабанчиками. Вместо кассеты при этом может быть установлено матовое стекло для определения границ участка съемки местности.
  Ориентирующее устройство, предназначенное для установки оптической оси камеры в заданное положение относительно базиса фотографирования, состоит из зрительной трубы двадцатикратного увеличения, отсчетного микроскопа и стеклянного лимба с делениями через 20'. Для точной установки отсчета по лимбу имеются закрепительный и микрометренный винты. Зрительную трубу можно поворачивать только в горизонтальной плоскости. Оптическую ось можно также наклонять в вертикальной плоскости вращением барабанчика, при этом угол наклона оптической оси отсчитывают по барабанчику и вертикальному кругу.
  Установку фототеодолита в рабочее положение осуществляют с помощью подъемных винтов по двум цилиндрическим уровням со взаимно перпендикулярными осями, расположенными на верхней панели камеры.
  Тахеометр Theo-020, входящий в фототеодолитный комплект, используют для определения геодезическими методами координат одной из точек базиса, его дирекционного угла, длины базиса и координат опорных (корректурных) точек.
  Базисная рейка служит совместно с теодолитом Theo-020 для определения длин линий параллактическим методом и, в частности, для измерения длин базисов.
  
  2. Элементы ориентирования стереопар
  
  В наземной фотограмметрии положение любой точки местности может быть определено в пространственной прямоугольной системе координат. Для удобства обработки стереопар используют две системы координат: фотограмметрическую (правую) и геодезическую (левую).
  Систему геодезических координат О,Х,Y,Z - левую, используют для определения геодезических координат измеряемых точек местности (рис. 5, а).
  
  Рис. 5. Системы координат снимков стереопары: Рис. 6. Продольный и поперечный параллаксы точки А
  а-геодезическая; б-фотограмметрическая
  
  Систему координат О,Х,Y,Z - правую, используемую для определения взаимного положения точек местности, называют фотограмметрической (рис. 5, б).
  Кроме того, для определения положения точек на снимке используют плоскую систему прямоугольных координат о,х,z (см. рис. 4). Начало этой системы находится на пересечении прямых, проходящих через координатные метки, т. е. совпадают с главной точкой снимка.
  Если х1 z1 и х2 z2 - координаты соответствующих точек а1 и а2 на стереопаре P1 - Р2 (рис.6), то разность абсцисс соответствующих точек называют продольным параллаксом р, а разность аппликат - поперечным параллаксом q:
  р = х1 - х2,
   q = z1 - z2. (1)
  
  Восстановление положения снимков в момент фотографирования осуществляют по элементам его ориентирования. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования.
  Положение снимка относительно центра проекций S (рис. 7, а) определяется элементами внутреннего ориентирования, к которым относятся фотограмметрические координаты главной точки снимка х0, z0 и фокусное расстояние камеры fк.
  
   Рис. 7. Элементы ориентирования снимка: Рис. 8. Углы скоса и конвергенции
   а-внутреннего; б-внешнего
  
  Следует иметь в виду, что при юстировке прибора добиваются, чтобы начало фотограмметрических координат совпадало с главной точкой снимка, т. е. чтобы основание перпендикуляра, опущенного из центра проекций (центра объектива камеры) S на фокальную плоскость, точно совпадало с точкой пересечения прямых, соединяющих противоположные метки прикладной рамки фототеодолита, при этом оказывается, что хо = zo = 0. Элементы внутреннего ориентирования позволяют восстановить по снимку положение связки лучей, существовавшую в момент фотографирования.
  Положение связки проектирующих лучей относительно геодезической системы координат определяется элементами внешнего ориентирования, к которым относят (рис. 7, б):
  ХS, YS, ZS - координаты центра проекций S в геодезической системе координат;
  α - дирекционный угол главного луча S0;
  ω - угол наклона главного луча к горизонту;
  χ - угол поворота снимка, т. е. угол между осью ОХ и горизонтальной плоскостью.
  В практике наземной фотограмметрии элементы внешнего ориентирования представляют в виде, исключающем необходимость определения координат правой точки базиса фотографирования, тогда:
  ХS1, YS1, ZS1 - геодезические координаты левой точки базиса фотографирования;
  ω 1 - угол наклона главного луча левого снимка;
  χ1 - угол поворота левого снимка;
  φ1 - угол скоса (рис. 8) левого снимка (при отклонении луча влево от перпендикуляра к базису угол скоса принимают положительным, при отклонении вправо - отрицательным);
  α h- дирекционный угол базиса (с его левой точки на правую);
  B - горизонтальная проекция базиса фотографирования;
  hb - превышение между правой и левой точками базиса;
  χ2 - угол поворота правого снимка;
  ω 2 - угол наклона главного луча правого снимка;
  γ - угол между проекциями главных лучей левого и правого снимка (см. рис. 8), при этом
  
   γ = φ2 - φ1 (2)
  
  При положительном значении γ, когда лучи сходятся, угол называют углом конвергенции.
  Все элементы внешнего ориентирования, как правило, определяют геодезическими методами и при обработке стереопар считаются известными.
  
  3. Виды фототеодолитных сьемок
  
  В зависимости от положения снимков стереопары относительно базиса различают пять основных видов фототеодолитных съемок: нормальный, равноотклоненный, равнонаклоненный, конвергентный и общий.
  
  Рис. 9. Виды фототеодолитных съемок:
  а- нормальный; б-равноотклоненный; в-конвергентный
  
  При нормальной съемке главные лучи левого и правого снимков горизонтальны и перпендикулярны к базису фотографирования (рис. 9, а), при этом выдерживается равенство:
  φ1 = φ2 = ω1 = ω2 = χ1 = χ2 = 0
  При равноотклоненной съемке главные лучи горизонтальны и параллельны между собой, но составляют с базисом некоторый угол, отличный от 90№ (рис. 9, б), при этом
  
  φ1 = φ2 # 0; ω1 = ω2 = χ1 = χ2 = 0
  
  Обычно принимают φ1 = φ2 = 31№ 30'.
  При равнонаклоненной съемке главные лучи перпендикулярны к горизонтальной проекции базиса, но наклонены к горизонту на один и тот же угол, при этом
  
  φ1 = φ2 = χ1 = χ2 = 0; ω1 = ω2 # 0
  
  При конвергентной съемке главные лучи горизонтальны, но не параллельны один другому (рис. 9, в), при этом
  φ1 # φ2 ; ω1 = ω2 = χ1 = χ2 = 0
  
  И, наконец, при общем случае съемки главные лучи занимают произвольное положение относительно базиса фотографирования и относительно друг друга, при этом
  
  φ1 # φ2 ; ω1 # ω2 ; χ1 # χ2
  
  Из перечисленных пяти возможных видов фототеодолитных съемок наиболее часто применяют нормальный и равноотклоненный виды съемок, и значительно реже равнонаклоненный и конвергентный, при этом равнонаклоненный вид съемки обычно применяют в пересеченной и горной местности в комбинации с нормальным и равноотклоненным видами.
  Конвергентный вид используют для увеличения взаимного перекрытия снимков, при большой длине базиса фотографирования.
  0бщий вид съемки, чрезвычайно сложный в обработке, применяют лишь при условии обязательного использования универсальных стереофотограмметрических приборов или компьютерных фотограмметрических систем для обработки результатов измерений.
  
  4. Определение координат точек местности по стереопарам
  
  Рассмотрим наиболее распространенные нормальный и равноотклоненный случаи фототеодолитных съемок.
  На местности с точек базиса S1 и S2 выполнена фототеодолитная съемка нормального вида, т.е. когда оптическая ось фотокамеры горизонтальна, и перпендикулярна горизонтальной проекции базиса.
  Учитывая, что фотограмметрическая система координат имеет своим началом точку S1 (рис.10, а), координаты любой точки местности Io будут равны Хi, Yi, Zi, а координаты ее изображения на левом снимке стереопары - хi1, zi1 и на правом снимке - хi2, zi2
  
  Рис. 10. Схемы определения координат точек местности для случаев фототеодолитной съемки: а-нормального; б-равноотклоненного
  Как следует из рис. 10, а, по измеренным координатам соответствующих точек на снимках стереопары можно определить фотограмметрические координаты этих точек местности. Действительно, если провести из точки базиса S1 прямую, параллельную линии S2 I0 , то из подобия треугольников Δ I0΄ S1 I0 и Δ i0΄ S1 i1 получим
  
   ,
  откуда
   (3)
  где fк - фокусное расстояние объектива; В - горизонтальная проекция базиса фотографирования; рi = хi1 - хi2 - продольный параллакс.
  
  Аналогичным образом из рис. 10, а следует
  
   ,
  откуда
   . (4)
  И наконец, определяем фотограмметрическую высоту точки
  
  
  откуда
   . (5)
  При равноотклоненной фототеодолитной съемке оптические оси фотокамеры в точках фотографического базиса S1 и S2 отклонены от горизонтальной проекции базиса В на угол φ (рис.10,б). Очевидно, что результаты съемки будут идентичны, если выполнить съемку нормального вида с точек S1 и S2΄ базиса В'. Тогда из формул (3) - (5) следует
   ; ; (6)
  
  Из рис. 3, б следует, что
  
  S1S2" = В cos φ и S2" S2 = В sin φ.
  
  Учитывая, что треугольники Δ S2O2i2 и Δ S2S2" S2 ' подобны, находим
  
  Таким образом, общая длина горизонтальной проекции базиса В' определится
   . (7)
  Подставляя выражение (7) в формулы (6), окончательно получим зависимости для вычисления фотограмметрических координат точек местности для случая равноотклоненной фототеодолитной съемки местности
   (8)
  
  Зная геодезические координаты YS1, XS1 и ZS1 первой точки базиса S1 и дирекционный угол базиса αb, используя правило поворота координат, легко определить геодезические координаты снимаемых точек
   (9)
  
  Аналогичным образом могут быть получены расчетные зависимости дня вычисления координат точек местности и для других видов наземной фотограмметрической съемки.
  
  5. Полевые работы при выполнении фототеодолитных съемок
  
  Комплекс полевых работ при фототеодолитных топографических съемках обычно бывает представлен следующими этапами:
  • рекогносцировка снимаемого участка местности;
  • сгущение геодезического съемочного обоснования с геодезической привязкой базисов фотографирования и корректурных точек;
  • фототеодолитная съемка участка;
  • фотолабораторные работы;
  • контроль качества негативов;
  • топографическое дешифрирование снимков;
  • досъемка "мертвых" пространств;
  • вычисление координат базисных и корректурных точек, длин и дирекционных углов базисов.
  Непосредственно процессу производства полевых фотосъемочных работ предшествует этап разработки проекта фототеодолитной съемки.
  В проекте съемки освещают и решают следующие вопросы:
  - местоположение и описание особенностей снимаемого участка местности;
  - обоснованность участка картографическим, аэросъемочным и другими материалами;
  - сведения о пунктах государственной геодезической сети;
  - необходимая точность съемочного обоснования;
  - расчеты, связанные со сгущением съемочного обоснования, с фототеодолитной съемки и с объемами работ для составления сметы;
  - схемы размещения пунктов съемочного обоснования;
  - схемы определения координат базисных и корректурных точек;
  - схемы фототеодолитной съемки с указанием положения базисных и корректурных точек, границ съемки с каждого базиса с выделением "мертвых" зон.
  Графическую часть проекта составляют на основании имеющихся планов и карт масштабов, обычно в 4 - 5 раз более мелких, чем, намечаемый масштаб фототеодолитной топографической съемки.
  Составленный таким образом проект служит основой для разработки рабочего проекта фототеодолитной съемки, осуществляемой после рекогносцировки снимаемого участка местности. В задачи рекогносцировки входят:
  1. определение на местности границ участка съемки;
  2. уточнение мест расположения базисов фотографирования и корректурных точек;
  3. размещение точек съемочного обоснования, не совпадающих с базисными и корректурными точками;
  4. составление схемы геодезических определений базисных и корректурных точек.
  При выборе положения базисов руководствуются следующими соображениями:
  - с базисных точек должен быть хорошо виден весь намеченный к сьемке с данного базиса участок местности, по возможности без "мертвых" зон;
  - намеченные базисные точки следует размещать в местах, удобных для установки штативов под фототеодолит, тахеометр и базисную рейку;
  - базисные точки необходимо размещать в местах, обеспечивающих их длительную сохранность, и по возможности на открытых возвышенных местах с обеспечением взаимной видимости и видимости до ближайших пунктов съемочного обоснования;
  - длина каждого базиса должна приблизительно соответствовать расчетным их значениям, определяемым по формуле:
   , (10)
  
  где Ymax - расстояние по главному лучу левого снимка до дальней границы снимаемого участка местности;
   fk - фокусное расстояние объектива фототеодолита;
   mt - допустимая средняя квадратическая ошибка в определении положения контурных точек (обычно mt =Ђ 0,5 мм) mпл;
   mp - средняя квадратическая ошибка определения продольного параллакса (обычно mp =Ђ 0,01 мм);
   ,
  где xi2 - наибольшее значение координаты x2 в пределах рабочего поля стереопары;
  - положение базисов необходимо устанавливать таким образом, чтобы снять весь намеченный участок местности при наименьшем количестве стереопар. Обычно фототеодолитную съемку с каждой базисной точки предусматривают в трех направлениях, при этом для нормального случая съемки базисы располагают примерно параллельно фронту снимаемого участка (общему направлению горизонталей);
  - наклон базиса не должен быть больше 10№.
  
  Корректурные точки - точки с известными геодезическими координатами X,Y,Z, изображающиеся на обоих снимках стереопары, служат для исключения погрешностей, связанных с ошибками ориентирования. Процесс определения поправок к элементам ориентирования называют корректурой стереоскопической модели.
  До начала фототеодолитной съемки маркируют все корректурные точки, определяемые геодезическим способом, одну из точек каждого съемочного базиса, а также пункты съемочного обоснования.
  Для корректуры стереоскопической модели местности каждая стереопара должна быть обеспечена по меньшей мере тремя корректурными точками с известными геодезическими координатами, размещаемыми на дальнем плане снимков. При этом одна из корректурных точек, как правило, размещается на главном луче правого снимка, а две другие - на краях участка местности, охватываемого рабочим полем стереопары.
  Для уменьшения общего числа корректурных точек их целесообразно размещать на участках взаимного перекрытия смежных стереопар.
  Координаты корректурных точек определяют, как правило, геодезическими способами с соблюдением норм точности и методов, предусмотренных инструкциями по топографическим съемкам в соответствующих масштабах для пунктов съемочного обоснования. Для уменьшения объема полевых работ стремятся, чтобы по возможности наибольшее число пунктов съемочного обоснования совпадало с базисными или корректурными точками. Чрезвычайно эффективным при создании планово-высотного обоснования фототеодолитных съемок (определении координат базисных и корректурных точек) является использование приемников систем спутниковой навигации "GPS" геодезического класса точности.
  Перед началом фототеодолитной съемки производят рабочие поверки, фототеодолитного комплекта, после чего приступают непосредственно к производству самой съемки. Работа на каждой базисной точке предусматривает выполнение самой фотографической съемки, измерение угла наклона и горизонтальной проекции длины, а также выполнение других предусмотренных проектом съемки геодезических работ.
  Процесс производства топографических съемок с использованием фототеодолитного комплекта Photheo 19/1318 включает в себя выполнение следующих операций:
  • на левой и правой точках базиса фотографирования устанавливают штативы. На левом штативе устанавливают фототеодолит, а на правом - визирную марку;
  • прибор центрируют, приводят в рабочее положение и измеряют его высоту i (до верхнего обреза втулки подставки). Тогда общая высота прибора определится как сумма высоты i плюс некоторая постоянная величина Δi, принимаемая для фототеодолита Photheo равной 0,11 м, для тахеометра Theo-020 - 0,14 м, для визирной марки - 0,14 м и для базисной рейки - 0,04 м. Результаты измерений заносят в журнал фототопографической съемки;
  • фототеодолит ориентируют и выясняют необходимость изменения положения объектива по высоте, для чего открывают крышку матового стекла, снимают крышку объектива и рассматривают изображение местности на матовом стекле и в случае необходимости для полного охвата местности смещают объектив вверх или вниз от нулевого положения. Иногда выполняют съемку при двух положениях объектива - верхнем и нижнем. Соответствующее положение объектива фиксируют в журнале фототеодолитной съемки;
  • закрывают объектив крышкой, вынимают рамку с матовым стеклом и вставляют кассету;
  • на нумераторе устанавливают номер базисной точки, с которой производят съемку, а на регистраторе - вид съемки (А, AL или AR - при съемке с левой точки базиса и В, BL или BR - при съемке с правой точки);
  • проверяют правильность установки и ориентирования прибора, производят экспонирование и извлекают кассету.
  
  С каждой съемочной точки, как правило, получают три снимка с нормальными и равноотклоненными (вправо и влево) осями со стандартными углами скоса, равными для фототеодолита Photheo φ = 35g = 31№30' (см. рис. 9, б).
  Завершив работу на левой точке базиса, снимают фототеодолит с подставки и переносят его на правую съемочную точку, а визирную марку переносят на левую. Перестановку фототеодолита и визирной марки производят без изменения положения штативов.
  Фотосъемки с левой и правой базисных точек производят по возможности с минимальным разрывом во времени. При этом каждый раз перед фотографированием определяют необходимую выдержку по фотоэкспонометру.
  Длину базиса фотографирования измеряют после съемки с относительной ошибкой не более 1:1000. При длине базиса менее 50 м измерения производят компарированной рулеткой, а при больших длинах применяют параллактический метод измерения при помощи тахеометра и дальномерной базисной рейки. В последнее время для этой цели иногда стали использовать ручные безотражательные дальномеры типа MM30 - 31, обеспечивающие измерение с необходимой точностью расстояний от 0,2 до 100 м.
  Измеряют горизонтальные и вертикальные углы при двух положениях круга теодолита со средними квадратическими ошибками: для горизонтальных углов не более Ђ15" и для вертикальных - не более Ђ30".
  По мере накопления экспонированных пластинок производят фотолабораторные работы с последующей оценкой фотографического и фотограмметрического качества негативов. Негативы неудовлетворительного качества подлежат пересъемке.
  После получения негативов и контактных отпечатков производят топографическое дешифрирование, предназначенное для опознавания и фиксации на снимках точек съемочного обоснования, корректурных точек, а также объектов и характерных контуров местности, подлежащих изображению на топографическом плане заданного масштаба. В необходимых случаях дешифрирование производят непосредственно в поле путем сличения снимков с местностью.
  Основными объектами топографического дешифрирования являются:
  • пункты государственной геодезической сети, точки съемочного обоснования и корректурные точки;
  • элементы рельефа (например, обрывы, границы осыпей, скал и т. д.);
  • характерные контуры местности (например, леса, пашни, огороды, болота, озера и т.д.);
  • гидрографическая сеть;
  • дороги с элементами земляного полотна и дорожного водоотвода;
  • геологические выработки (например, скважины, шурфы, расчистки, точки геофизической разведки);
  • линии связи, электропередачи, кабели, нефтепродуктопроводы, газопроводы, водоводы и т.д.;
  • отдельные здания и сооружения.
  После окончания полевых работ представляют следующие материалы и документы:
  - схему фототеодолитной съемки;
  - схему съемочного обоснования и корректурных точек;
  - комплект негативов фототеодолитной съемки;
  - отдешифрированные снимки и ведомости дешифрирования;
  - журнал фототеодолитной съемки;
  - полевые журналы геодезических измерений;
  - журнал оценки качества негативов и другие материалы.
  
  5. Камеральные работы
  
  Камеральные работы при использовании материалов фототеодолитных съемок выполняют прежде всего с целью составления крупномасштабных топографических планов местности и ЦММ, а также для решения других инженерных задач (например, для планово-высотного обоснования аэросъемок, ландшафтного проектирования автомобильных дорог, обследования существующих искусственных сооружений, при выполнении морфометрических работ на переходах через водотоки и т. д.).
  В наземной фотограмметрии применяют три способа камеральной обработки стереопар: графический, графо-механический и аналитический.
  Независимо от используемого способа обработки материалов фототеодолитных съемок процессу подготовки топографических планов и ЦММ предшествует обязательный этап корректуры стереоскопической модели для исключения погрешностей, связанных с ошибками ориентирования прибора.
  Графический способ применяют для составления топографических планов при отсутствии универсальных стереофотограмметрических приборов: стереокомпараторов с автоматической регистрацией и обработкой данных измерений, стереоавтографов, приборов типа Технокарт и т. д.
  Планы составляют путем рисовки ситуации и рельефа по характерным точкам местности, плановое и высотное положение которых определяют по стереопарам на стереокомпараторе (рис. 18.11), ручным измерением координат х, z и продольных параллаксов р. Съемочные точки наносят на прозрачную основу с помощью простейших приборов, графически решающих уравнения нормального и равноотклоненного видов съемки, с последующим копированием готового участка плана на планшет.
  Существенным недостатком графического способа является низкая производительность труда и невозможность непосредственной подготовки ЦММ в ходе обработки стереопар.
  
  Рис.11. Стереокомпаратор 1818:
  1 - станина; 2 - основная каретка; 3 - каретка левого снимка; 4 - левый снимок; 5-
  осветительное устройство; 6 - счетчик поперечного параллакса q; 7 - счетчик продольного
  параллакса р; 8 - правый снимок; 9 - параллактическая каретка правого снимка; 10 - бинокулярная система; 11 - маховичок продольных параллаксов; 12 - винт поперечных параллаксов; 13 - счетчик аппликаты z; 14 - маховичок оси Z; 15 - маховичок оси Х; 16- счетчик координаты х
  
  Графо-механический способ применяют при наличии универсальных стереофотрграмметрических приборов, обеспечивающих процесс измерения снимков с одновременным вычерчиванием топографических планов на координатографе.
  Несмотря на более высокую производительность труда при изготовлении топографических планов графо-механический способ (так же как и графический) не дает возможности непосредственной подготовки ЦММ в ходе измерения снимков, при этом качество топографических планов и производительность труда остаются существенно ниже, чем при автоматизированной компьютерной обработке с использованием графопостроителей.
  Аналитический способ используют при измерениях наземных стереопар на стереофотограмметрических приборах с автоматической регистрацией результатов измерений, вычислением на компьютере координат точек местности и вычерчиванием топографических планов на графопостроителях с одновременной подготовкой массивов точек ЦММ.
  При обработке снимков аналитическим способом измеряют фотограмметрические координаты и параллаксы характерных точек местности по стереопарам с записью их на магнитные носители либо непосредственно в память компьютера с последующим определением геодезических координат точек местности.
  Аналитический способ стереофотограмметрических измерений обеспечивает наибольшую точность обработки материалов фототеодолитных съемок в связи с тем, что позволяет решать уравнения связи между геодезическими координатами точек местности и координатами их изображений на снимках практически с любой степенью точности. Поэтому погрешности аналитического способа обусловлены главным образом ошибками полевых измерений, искажениями снимков и ошибками измерений фотограмметрических координат и параллаксов точек на стереоскопических моделях.
  Достоинствами стереофотограмметрической обработки стереопар фототеодолитных съемок аналитическим способом являются:
  - высокая степень автоматизации процесса подготовки топографических планов;
  - в ходе работ по подготовке топографических планов происходит формирование массивов ЦММ;
  - высокая точность измерений и высокое качество топографических планов и ЦММ;
  - высокая производительность труда при обработке материалов фототеодолитных съемок.
  Появление цифровой (электронной) фотографии еще более расширили возможности аналитического способа обработки стереопар, поскольку стереофотограмметрическую обработку материалов полевых съемок ведут непосредственно на компьютерах без использования каких-либо стереофотограмметрических приборов.
  На дальнейших занятиях будет рассмотрено описание универсальной автоматизированной системы цифровой фотограмметрии (АСЦФ) "Photomod", обеспечивающей аналитическую стереофотограмметрическую обработку на персональных компьютерах материалов как наземных (фототеодолитных), так и аэрокосмических съемок местности.
  Применение системы "Photomod" требует выполнения наземных фотосъемок с использованием специальных цифровых (электронных) фотокамер прецизионной точности либо сканирования стереопар, получаемых традиционной съемкой на фотоносителях (фотопластины, фотопленки, фотопозитивы) с разрешением не менее 1200 dpi.
  
  
  СТЕРЕОФОТОГРАММЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ АЭРОФОТОСЪЕМОК
  
  1. Аэрофотоснимки и их масштабы
  
  Основной продукцией аэросъемочного процесса являются аэрофоснимки местности. Каждый аэрофотоснимок представляет собой центральную проекцию участка местности, образованную связкой проектирующих лучей, проходящих через центр проекции S - объектив фотокамеры (рис. 1).
  
  Рис. 1. Схема определения положения точек на аэрофотоснимке:
  а - центральная проекция снимка; б - оси координат снимка
  
  Как следует из рис. 1, а изображение на снимке каждой точки земной поверхности А, О, В, С (на снимке соответственно точки с, о, b, а) получается в результате пересечения соответствующих лучей с плоскостью аэрофотоснимка. Луч OSo, перпендикулярный плоскости аэрофотоснимка, называют главным лучом (оптической осью АФА), а основание перпендикуляра OSo (точку о) называют главной точкой аэрофотоснимка. Главная точка снимка находится на пересечении линий, соединяющих противоположные координатные метки аэрофотоснимка (рис. б).
  Положение любой точки местности на аэрофотоснимке определяют, как и на наземных снимках, в фотограмметрической системе координат. Для определения положения точки на аэрофотоснимке используют плоскую прямоугольную систему координат (см. рис. 1, б), обозначенную через OXY. Ось абсцисс Х принимают совпадающей с прямой 1 - 2, а ось ординат Y - с прямой 3 - 4. Тогда положение точки на аэрофотоснимке определится координатами
  
   x΄= o΄m΄; y΄= m΄m (1)
  
  В зависимости от высоты полета летательного аппарата Н и фокусного расстояния АФА получают аэрофотоснимки различных масштабов. Отношение длины отрезка на аэрофотоснимке к длине того же отрезка на местности называют численным масштабом аэрофотоснимка. Как следует из рис. 2, масштаб аэрофотоснимка будет равен
   , (2)
  где fk - фокусное расстояние АФА;
   Н - высота фотографирования.
  Таким образом, если местность практически горизонтальна, а аэросъемка произведена при строго отвесном положении оптической оси АФА, то аэрофотоснимок подобен местности и масштаб его равен
   (3)
  
  Рис. 2. Схема определения масштаба Рис. 3. Смещение изображения точек на аэро-
   аэрофотоснимка фотоснимке в плане из-за рельефа
  
  При наклонном положении оптической оси АФА, а также при пересеченном или горном рельефе снимаемой местности масштаб аэрофотоснимка для разных его частей будет неодинаков. В частности, при отклонении оптической оси АФА от отвесной линии на угол α0 масштаб аэрофотоснимка в разных его точках можно определить по формуле
   (4)
  При пересеченном и горном рельефах местности масштаб аэрофотоснимка будет переменным также в связи с искажениями из-за рельефа. Как следует из рис. 3, если точка А имеет превышение (+h) и точка В (-h) относительно условного (среднего) горизонта, а точки А0 и В0 их ортогональные проекции, то точки а0 , а и b0 , b являются соответственно центральными проекциями этих точек на аэрофотоснимке Р.
  Как видно, в этом случае расстояние aa0 = δha , и bb0 = δhb являются смещениями точек а и b на аэрофотоснимке за счет соответствующих превышений. Только в одной точке аэрофотоснимка - точке надира (см. рис. 3), являющейся проекцией отвесной линии, проходящей через центр объектива, искажений из-за рельефа не будет, т. е. δh = 0. В связи со сказанным при рисовке горизонталей и контуров местности в положение соответствующих точек необходимо вводить поправки за рельеф местности δh по направлению к главной точке при положительном превышении и в обратную сторону - при отрицательном.
  
  2. Элементы ориентирования аэрофотоснимков
  
  Параметры, определяющие положение плоскости аэрофотоснимка относительно центра проекций S, называют элементами внутреннего ориентирования. К ним относят координаты главной точки аэрофотоснимка x0, y0 и фокусное расстояние объектива аэрофотоаппарата fk. Элементы внутреннего ориентирования позволяют восстановить положение связки лучей относительно плоскости аэрофотоснимка, существовавшее в момент фотографирования.
  При юстировке АФА стремятся к тому, чтобы главная точка аэрофотоснимка практически совпадала с началом фотограмметрических координат. Тогда x0 = 0 и y0 = 0 и, следовательно, элементы внутреннего ориентирования будут представлены только фокусным расстоянием объектива АФА.
  Параметры, определяющие положение аэрофотоснимка в пространстве в момент фотографирования в общей системе геодезических координат, называют элементами внешнего ориентирования.
  В аэрофотограмметрии различают две системы внешнего ориентирования аэрофотоснимков.
  К первой системе внешнего ориентирования относят следующие параметры (рис. 4, а):
  ХS, YS, ZS - геодезические координаты центра проекций;
  α0 - угол отклонения главного луча (оптической оси АФА) в момент фотографирования от отвесной линии;
  α- дирекционный угол главного луча, т. е. угол между осью X и проекцией главного луча на плоскость ХY;
  χ - угол поворота снимка.
  
  Рис. 4. Системы внешнего ориентирования аэрофотоснимков:
  а - первая; б - вторая
  
  Ко второй системе элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков относят (рис. 4, б):
  ХS, YS, ZS - геодезические координаты центра проекций;
  αX - продольный угол наклона снимка, заключенными между осью Z и проекцией главного луча на плоскость XZ;
  ω - поперечный угол наклона снимка, составленный главным лучом и плоскостью XZ ;
  χ - угол поворота снимка.
  Аналогично наземным снимкам, аэрофотоснимки имеют девять элементов ориентирования: три элемента внутреннего ориентирования и шесть элементов внешнего.
  Из рассмотренных выше систем внешнего ориентирования первую используют при фотограмметрической обработке одиночных аэрофотоснимков, вторую - стереопар.
  Если положение одного аэрофотоснимка в общей системе геодезическими координат определяют шесть элементов внешнего ориентирования, то положение стереопары определяют уже 12 элементов:
  ХS1, YS1, ZS1, αX1, ω1, χ1
  ХS2, YS2, ZS2, αX2, ω2, χ2
  Различают две системы взаимного ориентирования аэростереопар:
  - в первой системе положение аэрофотоснимков стереопары устанавливают по расположению правого снимка относительно левого (аналогично наземной фототеодолитной съемке) (рис. 5).
  При этом определяют:
  ΔαX = αX2 - α X1 - взаимный продольный угол наклона фотоснимков;
  Δω = ω2 - ω1 - взаимный поперечный угол наклона;
  Δχ = χ2 - χ1 - взаимный угол разворота;
  В - базис фотографирования;
  φ - дирекционный угол базиса фотографирования;
  v - угол наклона базиса к горизонту.
  
  Рис. 5. Элементы взаимного ориентирования аэрофотоснимков. Вид аэросъемочного маршрута сбоку
  
  Следовательно, элементы внешнего ориентирования в этом случае будут представлены следующими параметрами:
  ХS1, YS1, ZS1, αX1, ω1, χ1, В, φ, v, ΔαX, Δω, Δχ;
  
  во второй - по расположению аэрофотоснимков относительно базиса фотографирования (см. рис. 5). В базисной системе взаимного ориентирования стереопары положение аэрофотоснимков устанавливают относительно базиса фотографирования. Для этого определяют:
  τ1, τ2 - продольные углы наклона аэрофотоснимков относительно нормали к базису;
  ε - взаимный поперечный угол наклона главных базисных плоскостей между собой;
  χ1, χ2- углы поворота снимков в своих плоскостях.
  Таким образом, для этого случая элементы внешнего ориентирования будут представлены следующими параметрами:
  ХS1, YS1, ZS1, αX1, ω1, χ1, В, τ1, τ2, χ1, χ2, ε
  В каждой из рассмотренных систем взаимного ориентирования аэрофотоснимков первые семь величин определяют положение двух смежных снимков и поэтому являются элементами геодезического ориентирования стереопары, а последние пять - элементами взаимного ориентирования.
  
  
  3. Фотосхемы
  
  Приближенный план местности, составленный из аэрофотоснимков путем монтирования их рабочих частей по идентичным контурам, называют фотосхемой.
  Фотосхема представляет собой сплошное фотографическое изображение снятого участка местности. Однако фотосхемы, монтируемые из нетрансформированных аэрофотоснимков, имеют существенные погрешности вследствие искажения аэрофотоснимков, разномасштабности и неточности монтажа. Эти погрешности выражаются, в частности, в расхождении одноименных контуров в местах соединения аэрофотоснимков. Рамки планшетов наносят на фотосхемы приближенно по имеющимся на район изысканий топографическим картам.
  Фотосхемы монтируют на твердой основе, наклеивая снимки целлулоидным клеем. Для этой цели закрепляют фотоснимки накидного монтажа грузиками и разрезают их скальпелем в средних частях их зон перекрытия.
  Разрезы при монтаже фотосхем проводят на фотоснимках по участкам однородной тональности, как правило, в удалении от четких контуров местности, при этом разрезы при пересечении контуров местности делают в местах их наилучшего совпадения. С целью равномерного распределения погрешностей монтаж фотосхем начинают с середины маршрута.
  В практике аэроизысканий объектов строительства иногда используют уточненные фотосхемы, составленные из аэрофотоснимков, приведенных к одинаковому масштабу.
  При изысканиях и проектировании линейных объектов в отдельных случаях используют стереофотосхемы, позволяющие почти непрерывно изучать стереоскопическую модель местности на большом протяжении. Стереофотосхемы состоят из двух частей: первая из них представляет собой обычную фотосхему, составленную из частей правых аэрофотоснимков стереопар, а вторая - набор участков-вкладышей, изготовленных из частей левых аэрофотоснимков стереопар.
  Для изучения стереомодели местности вдоль трассы линейного объекта используют простейшие стереоскопические приборы - стереоскопы. Стереоскоп устанавливают на фотосхему таким образом, чтобы изучаемый участок местности располагался под левым зеркалом прибора, а под правое зеркало размещают соответствующий участок-вкладыш. Перемещаясь таким образом по фотосхеме, изучают стереоскопическую модель местности по всему маршруту. Однако следует иметь в виду, что получаемые с помощью фотосхем стереоскопические модели непригодны для производства измерительных работ и служат лишь для общей обзорной оценки местности и трассы линейного сооружения.
  Фотосхемы используют в качестве промежуточного материала для дешифрирования, нанесения рельефа, предварительного трассирования и для решения других общих инженерных задач, не требующих точного знания координат точек местности.
  
  4. Фототриангуляция
  
  Основной задачей камеральных работ является стереофотограмметрическая обработка аэрофотоснимков с последующим получением топографических планов и ЦММ. Однако для этой цели требуются аэрофотоснимки, исправленные от искажений и приведенные к одному масштабу.
  Для трансформирования и монтажа аэрофотоснимков для каждого из них необходимо знать координаты по меньшей мере четырех контурных точек. Очевидно, задача была бы решена, если бы в процессе наземных полевых работ по планово-высотному обоснованию аэросъемки было бы создано необходимое количество опознаков. Однако для этого требуются слишком большие затраты труда и времени, поэтому на практике ограничиваются минимальным числом опознаков, а дальнейшее сгущение опорных контурных точек осуществляют камерально.
  Методы сгущения опорных контурных точек в камеральных условиях, необходимых для трансформирования аэрофотоснимков, называют фототриангуляцией
  Метод плановой фототриангуляции основан на том свойстве аэрофотоснимков, что углы между направлениями, проведенными из точки нулевых искажений, равны горизонтальным углам между теми же направлениями на местности.
  При плановой аэрофотосъемке, когда углы отклонения оптической оси АФА от отвесной линии не превышают 3№, при относительно спокойном рельефе местности вполне допустимо вместо точки нулевых искажений использовать главную точку снимка либо любую рядом лежащую контурную точку на расстоянии, не превышающем - , мм. Такие контурные точки называют центральными. И только при построении фототриангуляции в горных районах в качестве вершины углов обязательно принимают точку надира.
  Построение фототриангуляции (в частности, маршрутной) непосредственно по аэрофотоснимкам возможно лишь при продольном их взаимном перекрытии не менее 55%. В этом случае на каждом аэрофотоснимке будет зона тройного перекрытия и главная точка каждого снимка изобразится на смежных снимках (рис. 6). Например, точка О2 снимка II изобразится на снимках I и III.
  На каждом снимке накалывают центральную точку и центральные точки соседних аэрофотоснимков. Линии, соединяющие эти точки на каждом снимке, называют базисами. Затем в зоне тройного перекрытия выбирают контурные точки 1, 2 и 3, 4 и т. д., называемые связующими (рис. 6, б). Из центральной точки каждого аэрофотоснимка проводят направления на все связующие точки (рис. 6, а).
  
  Рис. 6. Маршрутная фототриангуляция:
  а - центральная точка снимка с поперечными направлениями; б - базис; в - построение на плане базиса и плановых опорных точек
  
  На листе бумаги строят первый базис (например, О1О2) и при помощи кальки или восковки переносят с аэрофотоснимков направления на связующие точки, прочерченные с концов этого базиса. Пересечения соответствующих направлений определит плановое расположение связующих точек 1, 2 и 3, 4 и т. д. (рис. 6, в). Таким образом получают сеть неориентированной плоской триангуляции в масштабе базиса О1О2.
  Для использования полученной таким образом сети фототриангуляции при трансформировании аэрофотоснимков и составлении фотопланов ее редуцируют, т. е. приводят к заданному масштабу и ориентируют относительно принятой системы координат. Для редуцирования фототриангуляционной сети необходимо иметь среди ее точек не менее двух с известными координатами, полученными в результате выполнения наземных геодезических работ, при этом эти точки должны размещаться по возможности в начале и конце триангуляционной сети.
  В настоящее время в связи с развитием электронной стереофотограмметрии вместо графической фототриангуляции стали применять аналитическую с использованием специального программного обеспечения и компьютерной обработки.
  
  5. Трансформирование аэрофотоснимков. Фотопланы
  
  Для подготовки топографических планов местности и ЦММ по материалам аэрофотосъемки требуются аэрофотоснимки, исправленные от искажений и приведенные к одному требуемому масштабу.
  Процесс преобразования аэрофотоснимков, полученных при наклонном положении оптической оси АФА в положение, соответствующее отвесному ее направлению с одновременным приведением изображения к заданному масштабу, называют трансформированием.
  Сущность трансформирования заключается в преобразовании центральной проекции аэрофотоснимка, имеющего наклон в момент съемки, в проекцию, соответствующую горизонтальному положению аэрофотоснимка при заданной высоте фотографирования. В процессе трансформирования исключают ошибки, связанные с наклоном аэрофотоснимков и неравенством высот фотографирования. Кроме того, сводятся к минимуму искажения, связанные с рельефом местности, посредством выбора надлежащей плоскости трансформирования.
  Практическая задача трансформирования состоит в восстановлении того положения аэрофотоснимка, которое он занимал относительно плоскости местности в момент фотографирования. Из существующих методов трансформирования еще нередко используют фотомеханический способ с применением специальных приборов - фототрансформаторов (рис. 7), которые имеют станину 1, осветитель 2, кассету 3, объектив 4 и экран 5.
  
   Рис. 7. Общий вид фототрансформатора: Рис. 8. Корректурный лист фотоплана
   1 - станина; 2 - осветитель; 3 - кассета;
   4 - объектив; 5 - экран
  
  Для автоматического сохранения резкости изображения при перемещении кассеты 3, объектива 4 и экрана 5 относительно друг друга современные фототрансформаторы снабжены специальными устройствами - инверсорами.
  Искажения аэрофотоснимков за счет наклона оптической оси АФА в момент фотографирования исключаются за счет придания кассете и экрану фототрансформатора взаимного положения, соответствующего наклону снимка в момент фотографирования. Необходимый масштаб трансформированного снимка устанавливают изменением расстояния от объектива фототрансформатора до экрана.
  Фотомеханическое трансформирование аэрофотоснимков может быть реализовано одним из следующих способов:
  • по известным элементам внешнего ориентирования каждого аэрофотоснимка;
  • по опорным точкам фототриангуляционной сети.
  Суть второго, наиболее часто используемого способа состоит в совмещении четырех опорных точек на негативе с четырьмя соответствующими точками на основе. При таком совмещении негатив автоматически занимает положение, которое он имел в момент фотографирования относительно снимаемой местности. Заменив на экране фототрансформатора основу с опорными точками фототриангуляции на фотобумагу, производят экспонирование и получают аэрофотоснимок, не имеющий искажений за наклон оптической оси АФА и приведенный к заданному масштабу.
  Фотопланом называют уменьшенное фотографическое изображение местности, построенное из трансформированных аэрофотоснимков.
  Фотоплан монтируют на твердой основе из трансформированных снимков. Для этого в местах опорных точек пуансоном пробивают отверстия. Монтаж фотоплана ведут помаршрутно, устанавливая на основе положение каждого снимка по опорным точкам с закреплением грузиками, После проверки контрольными проколами смещения одноименных контуров (допускаемое смещение до 0,5 мм) оба снимка разрезают скальпелем по средней части перекрытия и приклеивают к основе. Затем переходят к монтажу следующего снимка и т.д.
  После монтажа второго маршрута делают общий разрез по середине поперечного перекрытия. Аналогичным образом монтируют последующие маршруты. Фотоплан обрезают по рамке трапеции и оставляют за рамкой поля определенной ширины.
  По окончании монтажных работ осуществляют корректуру фотоплана и окончательное его оформление. Корректуру производят посредством оценки смещения одноименных контуров по порезам между снимками, по рамкам соседних трапеций и по опорным точкам (рис. 8).
  Различают фотопланы контурные (без рельефа) и топографические (с изображением рельефа горизонталями) - фотокарты.
  
  6. Дешифрирование аэрофотоснимков
  
  Процесс опознания на аэрофотоснимках объектов местности, выявление их свойств, определение качественных и количественных характеристик называют дешифрированием.
  Дешифрирование осуществляют на фотосхемах, фотопланах либо непосредственно на аэрофотоснимках. Различают дешифрирование полевое, камеральное и комбинированное.
  При полевом дешифрировании визуально сличают изображения объектов на аэрофотоснимках с местностью. В ходе полевого дешифрирования фиксируют также объекты, не отобразившиеся на снимках, а также получают дополнительную информацию о местности, которую невозможно получить изучением только одних материалов аэросъемок (названия населенных пунктов, проходимость болот, скорости течений, глубины бродов, размеры малых водопропускных сооружений и т. д.). Полевое дешифрирование является наиболее полным и достоверным, однако требует больших затрат труда и времени. В ряде случаев полевое дешифрирование осуществляют с воздуха. В этом случае его называют воздушным.
  Камеральное дешифрирование базируется на анализе дешифровочных признаков изображения различных контуров и объектов местности. При камеральном дешифрировании, кроме собственно материалов аэросъемок, широко применяют и другие документы и материалы, содержащие топографическую, инженерно-геологическую, гидрометеорологическую, экономическую и другие виды информации о местности. Камеральное дешифрирование основано на учете дешифровочных признаков, раскрывающих содержание, характер объектов и контуров местности. К таким признакам относят прежде всего форму изображений, его размеры и тон. Форма изображаемых на снимках объектов и контуров местности является наиболее надежным дешифровочным признаком.
  Размеры изображенных на аэрофотоснимках объектов дают о них дополнительную информацию, учитывающую, в частности, количественную информацию. Тон изображения объекта в сочетании с другими признаками дает существенное повышение качества и надежности камерального дешифрирования.
  Различают прямые и косвенные признаки дешифрирования.
  К прямым признакам относят форму, размеры, тень, цвет, тон объекта, своеобразное распределение тональности по его поверхности и т. д.
  К косвенным признакам относят отразившиеся на аэрофотоснимках существующие в природе взаимообусловленность и взаимосвязи между явлениями и объектами: геоморфологические, геоботанические, гидроморфологические и другие. Например, по характеру растительного покрова можно судить о почвенно-грунтовом и гидрогеологическом строении местности, по очертанию русла реки в плане можно судить о типе руслового процесса, по староречьям о его темпе и т.д.
  Существенно расширяют возможности использования камерального дешифрирования в сочетании с плановой с другими видами аэросъемок: перспективной, цветной, многозональной, тепловой и радиолокационной.
  В табл. 1 представлены характерные дешифровочные признаки основных объектов топографического дешифрирования.
  
  
  
  
  Таблица 1
  Љ
  п/п Объекты топографического
  дешифрирования Главные дешифровочные признаки
  1 Пашня В зависимости от увлажненности и типа растительности изменяется тон от светло-серого до серого. Искусственные прямолинейные границы контуров.
  2 Луг Серый тон, криволинейные очертания, сухой луг светлее заливного
  3 Еловый лес Пестрый рисунок из-за разновысотности деревьев. Кроны светлее и меньше, чем промежутки между ними. Стереофотограмметрический прибор выявляет конусообразность деревьев
  4 Сосновый лес Однообразный светло-серый рисунок, характерный для примерно одинаковой высоты деревьев. Кроны закругленные.
  5 Лиственный лес Значительно светлее хвойных, небольшие промежутки между кронами.
  6 Кустарник Более слабый тон по сравнению с лесом, короткие тени. Нет густого сплошного массива, нет просек.
  7 Сады Четкие ряды деревьев, которые изображаются на снимках в виде черных точек.
  8 Тропинки Тонкие светло-серые линии.
  9 Проселочные дороги Извилины, неровные края земляного полотна, переменная его ширина.
  10 Автомобильные дороги Очень светлые широкие полосы, обрамленные светлыми полосками (обочинами, кюветами). Геометрически правильные закругления.
  11 Железные дороги Светлые полосы с плавными закруглениями, с прилегающими широкими полосами (полосами отвода).
  12 Мосты на дорогах Изменение ширины полотна. Тени от опор и пролетных строений.
  13 Скаты Различная освещенность. Скаты, обращенные к солнцу, светлее ровных мест и скатов, наклоненных от солнца.
  14 Линии электропередачи и связи На залесенных участках опознаются по просекам, на открытых местах - по незапаханным местам, на пашне - по теням.
  15 Водная поверхность Водная поверхность глубоких и спокойных водоемов отображается черным тоном, который заметно светлее в мелких местах с песчаным дном, в водоемах с мутной водой, с поверхностью, покрытой рябью от ветра.
  16 Колодцы Темные пятнышки (мокрые места) м ведущие к ним тропинки
  17 Броды Большое количество дорожек и тропинок, выходящих к берегу реки. В самом русле видны отмели светлого тона
  18 Геодезические знаки (сигналы и пирамиды) Сигналы и пирамиды на аэроснимках М 1: 50 000 совершенно не опознаются; в М 1: 35 000 они могут быть опознаны при расположении их на пашне по наличию незапаханной под знаком площади. На аэроснимках М 1: 18 000 можно различить тень от знака, а в М 1: 8 000 непосредственно опознается сам знак.
  
  При комбинированном дешифрировании наиболее рационально используют возможности камерального и полевого наземного и воздушного дешифрирования. При этом камерально определяют бесспорно опознаваемые объекты местности. Остальные объекты и дополнительную информацию о местности получают на основе дополнительных полевых наземных и воздушных обследований.
  При комбинированном дешифрировании полевому обследованию нередко подвергают лишь некоторые характерные участки местности - эталоны, что в значительной мере облегчает задачу камерального дешифрирования трасс линейных объектов большой протяженности.
  В последние годы в стране стали применять при дешифрировании материалов аэросъемок новые средства автоматизации и вычислительной техники.
  
  7. Стереофотограмметрическая обработка аэрофотоснимков
  
  Стереофотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемок необходима для получения топографических карт, электронных карт (ЭK), топографических планов и цифровых моделей местности (ЦММ).
  До недавнего времени эти задачи решались исключительно с использованием универсальных стереофотограмметрических приборов, обеспечивающих последовательное решение всех задач процесса подготовки топографических карт, планов и ЦММ:
  - внутреннее ориентирование аэрофотоснимков, т. е. построение связок проектирующих лучей;
  - взаимное ориентирование снимков стереопар, т. е. построение геометрической модели местности;
  - внешнее ориентирование геометрической модели местности;
  - определение координат точек местности, съемку контурных линий и рельефа.
  Когда известны элементы внешнего ориентирования, то на универсальных стереофотограмметрических приборах решают прямую фотограмметрическую засечку, т. е. снимки в стереоприборе устанавливают по известным элементам внешнего ориентирования. В результате получают стереоскопическую модель местности, фотограмметрическая обработка которой дает возможности подготовки топографических карт, планов и ЦММ.
  Для подготовки топографических планов в автоматическом режиме на графопостроителях и ЦММ используют стереофотограмметрические приборы с автоматической регистрацией измеряемых координат точек местности с непосредственной их записью в память компьютера или на магнитные носители информации (дискеты, компакт-диски).
  Универсальные стереофотограмметрические приборы позволяют осуществлять сгущение опорной геодезической сети аэрофотосъемки, т. е. строить фототриангуляционные сети.
  В зависимости от конструкции в стереофотограмметрических приборах используют разные принципы построения связок проектирующих лучей, поэтому их разделяют на две группы: приборы со связками проектирующих лучей, подобными существующим в момент фотографирования; приборы с преобразованными связками проектирующих лучей.
  По конструктивным особенностям стереофотограмметрические приборы разделяют на оптические, механические, оптико-механические, аналитические и автоматизированные стереофотограмметрические системы.
  Оптические универсальные стереофотограмметрические приборы (двойные проекторы, мультиплексы, стереопланиграфы) имеют по меньшей мере две проектирующие системы, с помощью которых создают стереоскопические модели местности.
  Механические универсальные стереофотограмметрические приборы (стереоавтографы, стереопроекторы, стереокартографы, стереометрографы) обеспечивают построение связок лучей и стереоскопических моделей посредством системы прецизионных рычагов и линеек.
  В оптико-механических универсальных приборах (фотостереографы) связки проектируемых лучей получают оптическим путем, а стереоскопические модели - посредством механизмов.
  На аналитических универсальных стереофотограмметрических приборах (аналитические плоттеры) в ходе стереофотограмметрической обработки стереопар осуществляется вычисление и регистрация геодезичеcких координат точек местности на компьютере, которые используются для подготовки топографических карт, планов и ЦММ.
  И, наконец, при использовании электронных стереоскопических изображений местности уже нет необходимости в использовании каких-либо стерео фотограмметрических приборов вообще, поскольку стереофотограмметрическая обработка электронных стереопар осуществляется непосредственно на компьютере с использованием автоматизированных систем цифровой фотограмметрии (АСЦФ), обеспечивающих аналитическое решение любых фотограмметрических задач, включая автоматизированную подготовку топографических карт, планов и ЦММ.
  Фотограмметрические измерения аэрофотоснимков при проектировании объектов строительства сводятся главным образом к измерению длин линий, горизонтальных углов, превышений и определению трехмерных координат характерных точек местности.
  Самым универсальным способом измерений является определение трехмерных координат точек местности (Х, Y, Н). Очевидно, зная геодезические координаты соответствующих точек, можно вычислить горизонтальные расстояния между ними, дирекционные углы и превышения. Кроме того, координаты точек служат непосредственной информацией как для подготовки ЦММ, так и для автоматического оформления топографических планов на графопостроителях.
  Превышения и высоты точек местности по аэрофотоснимкам плановых аэросъемок устанавливают по продольным параллаксам. Схема к определению превышений для двух горизонтальных аэрофотоснимков стереопары представлена на рис. 9.
  
  Рис. 9. Схема определения превышений на стереопаре горизонтального случая аэросъемки
  
  Продольные параллаксы точек представляют собой разности абсцисс изображений на левом и правом снимках стереопары в фотограмметрической системе координат, для которой ось х ориентирована по направлению базиса фотографирования, а ось у - по перпендикуляру влево от главных точек аэрофотоснимков.
  Как следует из рис. 9, продольные параллаксы любых точек (например, А и С) могут быть выражены базисом фотографирования b0 в масштабе изображения на аэрофотоснимке:
   , (5)
  при этом продольные параллаксы точек местности, размещающихся на одной и той же горизонтальной плоскости, будут одинаковы. Например, для случая, представленного на рис. 9, Hа = Hс0 из выражения (5) имеем:
   ра = рс 0 (6)
  
  Этим свойством пользуются при съемке рельефа местности. Очевидно, что продольные параллаксы точек, расположенных на разных горизонтальных плоскостях, будут разными, а разность продольных параллаксов будет характеризовать превышения между ними:
   , (7)
  Если представить , то величина превышения hac между точками А и С определится
   , (8)
  где b0 - базис фотографирования в масштабе аэрофотоснимка;
   ра и рс- продольные параллаксы точек А и С местности соответственно;
   fk - фокусное расстояние аэрофотокамеры.
  С использованием представленных зависимостей по стереомоделям местности решают такие задачи, как фотограмметрическое нивелирование трасс линейных сооружений, рисовку горизонталей, определение высотного положения характерных точек местности для подготовки ЦММ и автоматического вычерчивания топографических планов местности.
  Так как в общем случае плановая аэрофотосъемка отлична от горизонтальной (аэрофотоснимки имеют небольшой наклон к горизонту), то для получения истинных значений разностей параллаксов Δр аэрофотоснимки необходимо трансформировать.
  Целесообразно использовать и другой путь определения превышений и высот точек местности, заключающийся в измерениях на стереофотограмметрических приборах разностей продольных параллаксов Δр'ас с последующим введением поправок δpас, определяемых аналитическим путем на компьютере по известным элементам внешнего ориентирования, тогда
  
   Δpас = Δр'ас + δpас. (9)
  
  При использовании универсальных стереофотограмметрических приборов (типа стереопроектора СПР-3) такие поправки вводятся автоматически в ходе измерений с помощью специальных механических приспособлений - корректоров.
  
  8. Автоматизированная система цифровой фотограмметрии "РНОТОМОD"
  
  Многие современные технологии и методы, ранее практически нереализуемые, в связи с ускоренным развитием средств автоматизации и вычислительной техники в настоящее время становятся повседневным рабочим инструментом, доступным не только проектно-изыскательским организациям и фирмам, но и отдельным частным пользователям. Это относится прежде всего к ГИС-технологиям и системам автоматизированного проектирования САПР.
  Наиболее важной, но и весьма трудоемкой операцией при использовании этих технологий является подготовка исходной информации для проектирования (топографические крупномасштабные планы и ЦММ) и пространственная интерпретация исходных данных с точки зрения технологичности, наглядности и информативности. В этом плане наиболее трудоемкой является фотограмметрическая обработка стереопарных фотографических изображений местности. Тем не менее сравнительно небольшой объем изыскательских работ, выполняемых методами наземных фототеодолитных и воздушно-космических аэросъемок, был обусловлен прежде всего огромной стоимостью даже минимального комплекса стереофотограмметрических приборов, их размерами и весом, сложностью технического обслуживания и ремонта и, главное, потребностью в квалифицированных кадрах, обладающих профессиональным опытом работы с конкретным парком таких приборов.
  Рассмотрим принципиальную технологическую схему обработки стереопарных изображений с использованием АСЦФ "Photomod"
  Синтез компьютерных технологий обработки растровых изображений местности и методов фотограмметрической обработки стереопар привел к появлению автоматизированных систем цифровой фотограмметрии (АСЦФ). Одной из таких АСЦФ является система "Photomod".
  Автоматизированная система цифровой фотограмметрии "Photomod", работающая в операционной среде WINDOWS, реализуется на персональных компьютерах с умеренными характеристиками. Система максимально автоматизирована, обеспечивает возможность работы оператора в режиме стереоскопической визуализации и предназначена для решения широкого круга задач, начиная с обработки материалов космических и аэросъемок до решения задач ближней стереофотограмметрии.
  Структура АСЦФ "Photomod" и принципы ее функционирования следующие.
  База данных (БД) является одним из основных структурных элементов системы, обеспечивающая связь программных модулей, управление их работой и хранение исходных данных и результатов измерений. БД включает в себя растровые изображения стереопары, параметры ориентирования и точек планово-высотного обоснования съемки, промежуточные и окончательные результаты расчетов и изображения.
  Внутреннее ориентирование и дополнительные параметры. В качестве исходных данных осуществляют ввод координат главных точек снимков и фокусного расстояния фотокамеры. Ввод главных точек осуществляют непосредственно с изображения снимков путем позиционирования маркера либо с помощью координатных меток или вводом пиксельных или физических координат. Дополнительными параметрами являются: тип и ориентация системы координат, таблицы дисторсии, единицы измерений и т. д.
  Данные планово-высотного обоснования стереофотосьемки. Для внешнего ориентирования стереопар и получения результатов измерений в абсолютной системе координат пользователь должен ввести данные о точках планово-высотного обоснования. В системе используются два типа опорных данных: точки изображения с известными трехмерными координатами (пункты государственной геодезической сети, опознаки, точки съемочного обоснования, корректурные точки и т.д) и (или) опорные отрезки (пары точек изображения с известными расстояниями между ними). Для получения данных в абсолютной системе координат необходимо ввести минимум 3-4 опорные точки для каждой стереопары. В случае ввода только опорных отрезков (минимум 1 - 2 отрезка) пользователь может получать данные в условной системе координат.
  Взаимное и внешнее ориентирование стереопар. Взаимное и внешнее ориентирование стереопар в рамках системы производится в автоматическом режиме при условии задания (можно приблизительного) пользователем как минимум трех соответственных точек на левом и правом снимках, далее система автоматически уточняет положение точек с субпиксельной точностью и находит дополнительное количество соответственных точек. После субпиксельного трансформирования изображения пользователь может производить измерения трехмерных координат точек местности.
  Системой предусмотрена возможность работы при недостатке или полном отсутствии данных о внутреннем ориентировании (например, при неизвестном фокусном расстоянии камеры), однако для этого пользователь, должен ввести данные не менее чем о 5 опорных точках.
  Стереоскопическая визуализация и измерения. Все измерения трехмерных координат характерных точек снимаемого участка местности могут осуществляться в двух режимах: автоматическом, с использованием курсора, следующего по рельефу, и ручном - в стереоскопическом режиме визуализации. В последнем случае пользователь может перемещать маркер в трехмерном пространстве и позиционировать его в точку наблюдения с помощью клавиатуры компьютера и манипулятора- "мышь".
  Реализация стереоскопической визуализации. В системе "Photomod" для реализации стереоскопической визуализации снимаемого объекта могут быть задействованы два метода. Анаглифический метод, когда изображение со специальной смешанной палитрой рассматривают через специальные очки с цветными (красным и циановым) светофильтрами. Метод позволяет выдавать стереоскопические изображения на цветной плоттер. С использованием затворных жидкокристаллических очков, обеспечивающих раздельную передачу на правый и левый глаза наблюдателя соответствующих растровых изображений за счет синхронизации мигания развертки экрана и срабатывания затворов.
  Построение и редактирование ЦММ. Система обеспечивает построение цифровых моделей местности (ЦММ) в автоматическом режиме. Для этой цели пользователь задает размеры и положение сетки в плоскости изображения, на основе которой система будет строить трехмерную сеточную модель рельефа местности или исследуемого объекта. В системе предусмотрены три типа таких моделей: регулярная, адаптивная и гладкая, которые выбираются пользователем в зависимости от конкретной решаемой задачи. На основе полученных ЦММ производится расчет горизонталей и готовятся топографические планы местности. Сеточные ЦММ могут экспортироваться в любые распространенные форматы.
  Векторизация по растру (отображение ситуационных особенностей местности) служит для создания и редактирования на растровой основе. В качестве объектов можно использовать: точки, полилинии, полигоны, прямоугольники и текстовую информацию с возможностью измерения длин линий и площадей как в плане, так и в продольном или поперечном профиле. Системой предусмотрена возможность создания, измерения, печати и экспортирования до 5-ти слоев векторных объектов.
  Векторизации в стереоскопическом режиме. Служит для создания и редактирования векторных объектов в стереоскопическом режиме визуализации. Предусмотрен режим векторизации с использованием только манипулятора - "мышь", при этом движение маркера в плоскости экрана осуществляется перемещением "мыши", а управление маркером по высоте - ее клавишами.
  Краткая характеристика основных программных модулей АСЦФ "Photomod".
  Корреляционный модуль является одной из важнейших частей системы. Он позволяет автоматически определять соответственные точки снимков стереопары с субпиксельной точностью. Определение соответственных (опорных) точек легко осуществляется даже при работе с изображениями плохого качества.
  Модуль взаимного ориентирования и трансформирования снимков позволяет придавать снимкам то взаимное угловое расположение, которое они занимали в момент фотографирования, и преобразовывать исходные изображения в трансформированные (выполнение функций фото- трансформатора). Существенным преимуществом этого программного модуля является возможность проведения взаимного ориентирования стереопары при неточном знании параметров элементов внутреннего ориентирования, что обеспечивает функционирование системы при решении задач с неполным набором исходных данных.
  Модуль абсолютного (внешнего) ориентирования снимков. В зависимости от набора исходных данных позволяет работать как в абсолютной, так и в условной системах геодезических координат. Введение данных об избыточном количестве опорных точек позволяет компенсировать ошибки, внесенные на этапе взаимного ориентирования из-за неточности параметров внутреннего ориентирования.
  Модуль построения ЦММ и ортоизображений (топографических планов). Достоинством этого модуля является возможность построения ЦММ в автоматическом режиме с последующим (если необходимо) ручным редактированием. Позволяет вычислять реальные метрические характеристики векторных объектов (координаты, длины, площади). Модуль позволяет строить полутоновые изображения поверхности рельефа производить высотную окраску рельефа, "натягивать" реалистической (левое) изображение на сеточную модель и визуализировать полученную поверхность в произвольном ракурсе.
  Основные задачи, решаемые с использованием системы "Photomod":
  • проведение высокоточных трехмерных измерений;
  • создание ЦММ;
  • автоматические расчет и визуализация горизонталей;
  • построение точных ортоизображений (топографических планов и карт);
  • цветная стереоскопическая визуализация;
  • векторизация (создание векторных объектов) планов и карт;
  • обучение основам современной фотограмметрии.
  Точность получаемых результатов зависит от следующих факторов:
  • масштаба съемки;
  • качества фотопленки и съемочной аппаратуры;
  • качества полученных негативов;
  • точности координат используемых опорных точек;
  • числа опорных точек в пределах зоны взаимного перекрытия каждая стереопары;
  • разрешающей способности и геометрической точности используемого сканера;
  • квалификации оператора.
  Следует отметить чрезвычайную значимость этапа сканирования фотоснимков в технологии цифровой фотограмметрии. Поэтому во всех случаях целесообразно использование высокоточных (и, к сожалению, очень дорогих) фотограмметрических сканеров или в крайнем случае относительно недорогих полиграфических сканеров после их обязательной калибровки.
  Например, если снимок масштаба 1:10 000 отсканирован с разрешением 600 dpi, цена пиксела на местности составит 10 000 х 42,3 мкм ≈ 42 см, соответственно ошибка модели составит не более 40 см, что соответствует точности плана масштаба 1:5000. При сканировании того же снимка с разрешением 1200 dpi цена пиксела составит порядка 21 см, а ожидаемая ошибка - не более 20 см, что соответствует точности плана масштаба 1:2000.
  
  НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА МЕСТНОСТИ
  
  1. Общее понятие о системах спутниковой навигации "GPS"
  
  Уровень традиционных технологий производства топографо-геодезических работ в настоящее время уже существенно не соответствует современным требованиям выполнения инженерных изысканий и системного автоматизированного проектирования по объемам, срокам и стоимости производства работ, требованиям к инженерно-геодезическому сопровождению строительных процессов и эксплуатации инженерных сооружений и, наконец, не соответствует современному уровню развития средств автоматизации и вычислительной техники.
  Спутниковые Навигационные Системы (CHC) - специальный комплекс космических и наземных технических средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга актуальных задач, связанных прежде всего с оперативным и точным определением местоположения относительно Земного сфероида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геолого-разведочных, экологических и других задач.
  Спутниковые навигационные комплексы, созданные впервые в США - "NAVSTAR" и в СССР - "ГЛОНАСС" (глобальная навигационная спутниковая система), вошли в международную практику решения военных, навигационных, инженерных и других проблем под названием "Global Positioning System" ("GPS") или дословно - Глобальная Система Позиционирования (местоопределения).
  Возможность оперативного определения координат местоположения имеет столь существенное значение в жизни современного человечества, что системы "GPS" рассматривают как "Новое достояние цивилизации". Появление спутниковых навигационных систем, уже ставших доступными рядовому пользователю, безусловно, предопределит в ближайшем будущем качественное изменение содержания и методов производства большинства видов инженерно-геодезических работ.
  Принципы функционирования "GPS" основаны на определении местоположения по расстояниям до группы высокоорбитальных навигационных искусственных спутников Земли, выполняющих роль точно координированных точек отсчета (подвижных пунктов геодезической сети).
  Каждая из систем спутниковой навигации состоит из трех самостоятельных подсистем: А, Б и В.
  
  А - подсистема орбитального комплекса, состоящая из высокоорбитальных искусственных спутников Земля (ИЗС) и средств вывода их на орбиты. Каждый спутник имеет на борту несколько высокоточных атомных часов - эталонов частоты. Спутники постоянно транслируют координатные радиосигналы и навигационные сообщения и создают тем самым единое глобальное навигационное поле.
  Создание орбитального комплекса "ГЛОНАСС" штатного состава из 24 навигационных спутников было начато в октября 1982 г. и завершено в декабре 1995 г. Искусственные спутники "ГЛОНАСС" равномерно распределены в трех орбитальных плоскостях, разнесенных относительно друг друга на 120№. Плоскостям соответственно присвоены номера 1, 2 и 3 с возрастанием в сторону вращения Земли, при этом номинальные значения абсолютных долгот идеальных плоскостей зафиксированы:
   215№15'00" + 120№(i -1), (1)
  где i - номер орбитальной плоскости.
  Номинальные расстояния между соседними спутниками "ГЛОНАСС" по аргументу широты составляют 45№. Спутникам 1-й орбитальной плоскости присвоены номера с 1 по 8, спутникам 2-й орбитальной плоскости - с 9 по 16 и спутникам 3-й орбитальной плоскости - с 17 по 24. Орбитальные плоскости сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15№.
  Навигационные спутники системы NAVSTAR размещены в шести орбитальных плоскостях, по четыре спутника в каждой.
  Высота орбиты навигационных спутников системы "ГЛОНАСС" - 19100 км, системы "NAVSTAR" - 20180 км.
  Период обращения спутников системы "ГЛОНАСС" - 11 часов 15 минут 44 секунды, системы "NAVSTAR" - 12 часов.
  Наклонение орбиты системы "ГЛОНАСС" - 64,8№, системы "NAVSTAR" - 55,0№.
  Такая конфигурация орбитальной структуры спутниковых навигационных систем обеспечивает глобальную и непрерывную зоны действии системы, а также оптимальную геометрию взаимного расположения спутников для повышения точности определения координат.
  Навигационные спутники систем "GPS" непрерывно излучают радиосигналы различной точности. Так, для системы "ГЛОНАСС" предусмотрены навигационные сигналы двух типов:
  Высокой точности (ВТ) - предназначен исключительно для решения задач Министерства Обороны РФ.
  Стандартной точности (СТ) - доступен всем потребителям.
  Для системы "NAVSTAR" предусмотрены навигационные сигналы трех типов:
  Protected (Р-code) - защищенный, предназначенный прежде всего для нужд МО США.
  Selective Availability (S/А) - избирательной доступности, преднамеренно создавая значительный и непредсказуемый уход спутниковых часов создает значительные ошибки в определении местоположения для общегражданского круга пользователей.
  Clear Acquisition (С/А) - легкой распознаваемости, т. е. - это общегражданский код.
  
  Б - наземная подсистема контроля и управления состоит из группы станций слежения, нескольких станций загрузки на ИЗС и главной станции. Эта подсистема осуществляет мониторинг целостности системы и является первичным источником информации, поставляемой пользователям. Ее основными задачами являются:
  • контроль за работой навигационных ИЗС;
  • сбор информации для определения и прогноза орбит (эфемерид);
  • формирование единой временной системы всего орбитального комплекса и ее синхронизация относительно Всемирного времени и экспортирование данных в память бортовых компьютеров навигационных ИЗС.
  Эфемеридно-временная информация закладывается в память ИЗС дважды в сутки, что обеспечивает высокую точность навигационных определений.
  
  В - подсистема пользователей состоит из комплекса аппаратно-программных средств, реализующих основное назначение "GPS" - определение координат для геодезического применения.
  Главными факторами широкого использования аппаратуры пользователей "GPS" являются:
  • всепогодность;
  • оперативность первого определения координат (менее 3 минут от включения приемника);
  • непрерывность определения координат (каждые 0,5 с);
  • малые габариты и вес приемников;
  • малая энергоемкость;
  • простота эксплуатации;
  • высокая точность;
  • сравнительно небольшая стоимость.
  Данные позиционирования представляются в любом удобном для пользователя цифровом виде: в различных географических системах координат или в любой прямоугольной системе координат с возможностью описания и систематизации объектов позиционирования.
  В настоящее время спутниковые навигационные системы уже нашли широкое применение в следующих областях: военной; на космическом, воздушном, морском, речном, автодорожном, железнодорожном и других видах транспорта; в геодезии, картографии, океанографии; при производстве геофизических и геолого-разведочных работ; в лесном хозяйстве и землеустройстве; рыболовном хозяйстве; в экологическом мониторинге; в научно-исследовательских работах, в том числе фундаментельных и других сферах человеческой деятельности.
  В части инженерной геодезии и инженерного дела это безусловно революционный прорыв в будущее, который влечет за собой как радикальное изменение парка инженерно-геодезического оборудования, так и технологий и методов производства работ.
  
  2. Принципы определения координат точек местности с использованием "СРS"
  
  Основной принцип "GPS" - использование навигационных искусственных спутников Земли в качестве подвижных геодезических пунктов (точно координированных точек отсчета) для определения расстояний до них по времени распространения излучаемых ими радиосигналов и вычисления координат на Земле на основе тригонометрических соотношений.
  Если предположить, что точное местоположение любого используемого навигационного спутника системы в любой момент времени известно, и известно, как определить расстояния до каждого из них, то основополагающая идея "GPS" оказывается простой.
  Допустим, мы не знаем своих координат и пытаемся их определить, используя для этой цели навигационный спутник А, находящийся в настоящий момент времени на расстоянии 21000 км от нас (рис. 1).
  
  Рис. 1. Определение области местоположения точки по одному навигационному спутнику Земли
  
  Очевидно, область нашего местонахождении в космическом пространстве резко сократится и нас следует искать где-то на сфере с центром в спутнике А и радиусом 21000 км.
  Если же при этом известно, что расстояние от искомой точки до второго навигационного спутника В составляет 22 000 км, то единственной областью местонахождения будет линия пересечения двух сфер с центром в спутнике А и радиусом 21 000 км и с центром в спутнике В и радиусом 22 000 км, т. е. окружность (рис. 2).
  И наконец, если измерить расстояние еще и до третьего навигационного спутника С, равное скажем 23 000 км, то возможное местоположение искомой точки уже будет сведено всего к двум точкам, находящимся на пересечении сферы с радиусом 23 000 км с окружностью, полученной от пересечения сфер с радиусами 21000 и 22000 км (рис. 3).
  Обычно одно из двух возможных решений является нереальным - например, точка расположена слишком далеко от поверхности Земли, либо имеет неправдоподобно большую скорость. Поэтому, программное обеспечение компьютеров приемников "GPS" автоматически выделяет истинное местоположение искомой точки из двух возможных.
  
  
   Рис. 2. Определение области местоположения Рис. 3. Определение местоположения точки
   точки по 2-м навигационным спутникам Земли по 3-м навигационным спутникам Земли
  
  Таким образом, чтобы определить точное местоположение точки, теоретически достаточно трех измерений до трех навигационных спутников. Однако, как будет установлено далее, существует техническая причина, по которой для точного определения местоположения точки требуется еще и, как минимум, четвертое измерение до четвертого навигационного спутника.
  Определив расстояния как минимум до четырех навигационных спутников (подвижных геодезических пунктов), в дальнейшем для определения координат (местоположения) точки, решают обычную задачу обратной трилатерации, т.е. обратной линейной засечки.
  
  3. Измерение расстояний до навигационных спутников "GPS"
  
  В связи с тем, что любая "GPS" основана на определении расстояний до навигационных спутников, очевидно должны быть разработаны и соответствующие методы их определения.
  Основной принцип определения расстояний до навигационных спутников состоит в измерении времени, за которое радиосигнал спутника достигает приемника на Земле, и в последующем вычислении по этому времени искомого расстояния.
  Поскольку радиоволны распространяются с огромной скоростью, т. е. со скоростью света (около 300 000 км/с), нужно уметь очень точно определять момент выдачи сообщения навигационным спутником и момент его приема приемником "GPS" на Земле. Очевидно разница (сдвижка) во времени выдачи сигнала спутником и его приемом на Земле даст время распространения сигнала а, следовательно, и расстояние до данного спутника. При таком подходе часы в системе должны быть исключительно точными и совершенными. Действительно, при ошибке в определении времени распространения радиосигнала всего на 0,01 с ошибка в определении расстояния составит порядка 3000 км.
  На каждом навигационном спутнике, в связи с этим, установлен комплект из 4-х самых точных атомных часов, которые чрезвычайно дороги и громоздки. На всех приемниках "GPS" вынужденно, устанавливают очень дешевые и компактные кварцевые часы, которые, однако, существенно уступают по точности хода атомным.
  Главной трудностью определения времени распространения радиосигнала является точное выделение момента времени, в которое радиосигнал был передан со спутника. В системах "GPS" эта задача решена синхронизацией сигналов навигационных спутников в Космосе и приемников "GPS" на Земле таким образом, чтобы они точно в одно и то же время генерировали один и тот же бинарный (двоичный) код. Бинарный код - это очень сложная, тщательно подобранная и кажущаяся случайной последовательность логических нулей и единиц, которая повторяется каждую миллисекунду. Такие специально усложненные коды (для надежности и однозначности их сравнения) называют псевдослучайными кода ми (рис. 4).
  
  Рис. 4. Псевдослучайный код
  
  Учитывая, что псевдослучайные коды на спутниках и приемниках строго синхронизированы, для определения времени распространения радиосигнала и, следовательно, расстояния до данного спутника, достаточно принять от него радиосигнал и сопоставить его с точно таким же псевдослучайным кодом приемника. Сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения радиосигнала от навигационного спутника до приемника "GPS" (рис. 5).
  
  Рис. 5. Определение времени распространения радиосигнала по сдвижке псевдослучайных кодов
  
  Поскольку точность измерения времени распространения радиосигнала кварцевыми часами приемников существенно уступает точности хода атомных часов навигационных спутников, возникает проблема устранения смещения шкалы времени приемников "GPS".
  Можно легко установить, что если три точных измерения времени распространения радиосигналов спутников позволяют определить точное местоположение точки в трехмерном пространстве, то тоже самое обеспечивают четыре неточных измерения времени.
  Для облегчения понимания этого принципа рассмотрим решение этой задачи в двухмерном пространстве, т. е. на плоскости, временно исключив одно измерение.
  
  Рис. 6. Определение местоположения точки на плоскости по 2-м измерениям:
  1 - по 2-м точным измерениям; 2 - ошибочное определение местоположения точки
  по 2-м неточным измерениям
  Представим себе, что мы находимся на расстоянии в 4 с от спутника A и в 6 с от спутника В. Этих двух точных измерений было бы достаточно для однозначного определения местоположения точки 1 на плоскости (рис. 6, 1).
  Таким образом, местоположение точки 1 было бы установлено, если бы часы приемников "GPS" были бы столь же совершенны, как и атомные часы на навигационных спутниках. Теперь представим себе, что условно часы в приемниках отстают на одну секунду. Тогда расстояния до искомой точки были бы установлены с соответствующими ошибками и составили соответственно до спутника А - 5 с и до спутника В - 7 с. В результате положение искомой точки 1 было бы ошибочно определено в точке 2 (рис. 6, 2).
  Следует иметь в виду, что внешне это бы выглядело абсолютно правильным результатом, поскольку у нас нет возможности установить, что часы приемника отстают.
  Если к этим построениям добавить еще одно измерение, что в двухмерном пространстве означает измерение расстояния до спутника С, равного, скажем, 8 с, то все три точных измерения дадут положение искомой точки 1 на пересечении трех соответствующих окружностей (рис. 7).
  
  Рис. 7. Определение местоположения точки 1 на плоскости по 3-м точным измерениям
  
  Если учесть, что часы приемника несколько отстают, то в результате трех неточных измерений будут получены три возможных местоположения одной искомой точки (точки 2, 3 и 4), которая может одновременно находиться на расстояниях 5, 7 и 9 с соответственно от спутников А, В и С, что физически невозможно (рис. 8).
  
  Рис. 8. Определение местоположения точки на плоскости по 3-м неточным измерениям:
  1 - точное местоположение точки; 2,3,4 - варианты ошибочного определения местоположения
  Штриховые окружности на рисунках соответствуют не истинным дальностям, а так называемым "псевдодальностям", т. е. расстояниям, измеренным по неточным часам приемников "GPS"; Если начать измерять ошибочные расстояния с некоторым одинаковым шагом (в данном случае уменьшать), то можно в конце концов прийти не к трем, а к единственному правильному решению в точке 1. Точное местоположение точки 1 можно также установить решив систему из трех уравнений с тремя неизвестными (правильными расстояниями до спутников). Таким образом, в двумерном пространстве (на плоскости) три неточных измерения дают тот же точный результат, что и два точных измерения.
  Программное обеспечение компьютеров приемников "GPS" построено таким образом, что когда в них поступают измерения, не дающие пересечения в одной точке, то в результате решения по меньшей мере четырех уравнений с четырьмя неизвестными (для трехмерного пространства) накопится единственная точка, соответствующая исправленным значениям расстояний до четырех навигационных спутников, т. е. таким образом устраняется неточность хода часов приемника.
  Для определения точного местоположения искомой точки в трехмерном пространстве требуется по меньшей мере четыре неточных измерения расстояний (псевдодальностей) до четырех навигационных спутников.
  Для определения с необходимой точностью местоположения точек, в системах "GPS" учитывают и другие возможные источники ошибок.
  Поскольку в системах "GPS" навигационные искусственные спутники Земли используются как точки отсчета (т. е. как подвижные пункты геодезической сети), то орбиты спутников и местоположение каждого из них на орбитах (эфемериды) должны быть в любой момент времени точно известны. Поэтому каждый приемник "GPS" содержит в памяти своего компьютера "альманах", т. е. непрерывно обновляемый справочник, из которого может быть определено точное местоположение любого спутника орбитального комплекса на любой момент времени.
  Незначительные отклонения местоположения навигационных спутников от теоретических орбит (ошибки эфемерид), связанные с влиянием гравитационного поля Солнца и Луны, а также давления солнечного света, обнаруживаются наземными контрольными станциями слежения. Вычисленные поправки к орбитам передаются обратно на спутники, заменяя собой прежнюю информацию в памяти бортовых компьютеров. Спутники помимо непрерывной подачи кодовых радиосигналов ежеминутно передают на Землю поправки к своему орбитальному положению, обновляя альманахи каждого приемника "GPS".
  И, наконец, в системах "GPS" учитывают погрешности, связанные с задержками прохождения радиосигналов через ионосферу и тропосферу Земли. Эти погрешности учитывают либо введением усредненных поправок, либо использованием специальных приемников, работающих на двух радиосигналах разной частоты. В последнем случае ионосферные и тропосферные задержки прохождения радиосигналов определяются непосредственно в ходе измерений, поскольку они обратно пропорциональны квадрату частоты радиоизлучения.
  Необходимость для определения местоположения точек измерения расстояний по меньшей мере до четырех навигационных спутников, необходимость учета разнообразных погрешностей измерения расстояний, а также назначение производимых измерений предопределили большое разнообразие конструкций приемников "GPS".
  
  4. Приемники "GPS"
  
  Все, получившие распространение в практике производства инженерных работ приемники, можно условно разделить на две обширные группы.
  К nepвой группе относят приемники, работающие по принципу последовательного (поочередного) отслеживания и измерений расстояний до навигационных спутников рабочего созвездия.
  Ко второй группе - приемники, отслеживающие и обеспечивающие измерение расстояний одновременно до четырех и более навигационных спутников, т. е. ведущие измерения параллельно.
  Внутри каждой из этих двух групп существует большое разнообразие GPS-приемников различного назначения и конструктивных особенностей.
  Одноканальные приемники, наиболее экономичные и дешевые, используют в тех случаях, когда не требуется вести измерения "в режиме реального времени", т. е. непрерывно и не требуется измерения скорости объекта, на котором установлен приемник. Прежде чем вычислить координаты местоположения, одноканальный приемник должен выполнить последовательно четыре отдельных измерения до четырех различных спутников. Вся операция по определению координат одной точки может занимать от 2 до 30 с, что во многих случаях может оказаться вполне приемлемым.
  Тем не менее, одноканальным приемникам свойственны некоторые недостатки:
  • с помощью такого приемника нельзя производить измерения с подвижного объекта (например, с автомобиля при кинематической съемке плана и продольного профиля автомобильной дороги);
  • в ходе каждого цикла из четырех измерений приемник должен оставаться неподвижным;
  • работа одноканальных приемников по определению координат прерывается в моменты, когда навигационные спутники передают свои информационные сообщения, прием и расшифровка каждого из которых занимает около 30 с.
   Двухканальные приемники работают по следующему принципу. Когда один канал приемника производит обработку результатов временных измерений до одного спутника, другой канал устанавливает радиоконтакт с очередным спутником для проведения измерений. Закончив цикл частичной обработки данных, первый канал мгновенно переключается на измерения до очередного спутника без потери времени на его "захват" и "прослушивание". Тем временем второй канал, называемый административным, обращается к следующему спутнику и т. д. Административный канал используется для приема информационных сообщений спутников без прерывания процесса определения координат местоположения и может быть использован для обработки временных измерений. Кроме того, современные двухканальные приемники программируются для слежения за более чем четырьмя спутниками и в тех случаях, когда за одним из рабочих спутников оказывается потерян контроль, мгновенно используется другой, без перерыва процесса определения координат. Все это существенно ускоряет работу приемников.
  Многоканальные приемники (непрерывного слежения). Такие приемники одновременно отслеживают 4 и более спутников. Многоканальные приемники, используемые при производстве инженерно-геодезических работ, могут иметь 4, 6, 8, 10, 12 и даже 24 канала слежения. Кроме очевидного преимущества - непрерывного определения координат в режиме реального времени, скорости и траектории движения, многоканальные приемники могут обрабатывать сигналы всех спутников рабочего созвездия, видимых в настоящий момент на небосклоне, а некоторые приемники одновременно и спутников разных орбитальных систем: NAVSTAR (США) и ГЛОНАСС (Россия).
  Одночастотные и двухчастотные приемники. Кроме приемников (одно/двухканальных и многоканальных), работающих на одной частоте радиоволн в практике инженерно-геодезических работ используют и многоканальные двухчастотные приемники, работающие с использованием кодов на двух частотах: 1575,72 МНz и 1227,6 MHz. Приемники такого уровня обеспечивают более точное определение координат точек местности, в связи с возможностью дифференцированного учета для каждого рабочего спутника ионосферных и тропосферных задержек, а также обеспечивают быструю инициализацию (присваивание начальных значений) приемника, что особенно актуально в местах, где могут часто блокироваться сигналы спутников.
  По точности определения координат и назначению различают приемники следующих классов:
  • навигационного класса с точностью определения координат 150 - 200 м;
  • класса картографии и ГИС с точностью определения координат 1 - 5 м;
  • геодезического класса с точностью определения координат до 1 см.
  Приемники навигационного класса дешевы и компактны (рис. 9).
  
  Рис. 9. Одночастотный 12-канальный GPS - приемник навигационного класса точности "Eagle Explorer"
  
  Приемники навигационного класса точности призваны решать главным образом навигационные задачи на транспорте, в народном хозяйстве (например, при поиске полезных ископаемых и т.д.) и отдыхе.
  Приемники класса точности картографии и ГИС также относительно дешевы и доступны проектно-изыскательским и строительным организациям (рис. 10).
  
  Рис. 10. Одночастотный 12-канальный GPS - приемник навигационного класса точности картографии и ГИС "Pathfinder ProXL":
  1 - компактная антенна с обтекателем; 2 - полуметровая сборная стойка; 3 - сумка для переноса системы; 4 - накопитель TDC1; 5 - кабель загрузки данных
  
  Точность приемников класса картографии и ГИС может быть существенно повышена при базовом варианте их использования в случае применения базовых станций, и они могут быть использованы при решении большинства инженерно-геодезических задач, включая задачи, решаемые в режиме реального времени (например, съемка плана и продольного профиля существующей автомобильной дороги с движущегося автомобиля).
  Приемники геодезического класса точности весьма недешевы, однако даже в автономном режиме работы обеспечивают определение координат точек местности с точностью до 1 - 3 см в кинематическом режиме и до 1 см при статических измерениях, и поэтому применимы для решения практически любых инженерно-геодезических задач.
  При огромном многообразии приемников "GPS", обеспечивающих выполнение инженерно-геодезических задач на изысканиях и в строительстве, нужно стремиться приобретать приемники и геодезические системы, работающие не только с орбитальным комплексом США "NAVSTAR", но, прежде всего, работающие с навигационной системой "ГЛОНАСС".
  
  5. Организация геодезических работ с использованием базовых станций "DGPS"
  
  Использование сравнительно недорогих GPS-приемников класса точности определения координат картографии и ГИС, дающих ошибки до нескольких метров оказывается возможным и для измерений геодезического класса точности (до 1 см), если использовать методику дифференциального (относительного) позиционирования в режиме работы с базовыми станциями, получившими название "Differential GPS" - "DGPS".
  Технология дифференциального позиционирования основана на том, что ошибки определения абсолютных координат разными приемниками одних и тех же марок в пределах одного локального участка местности практически одинаковы. Тогда, если установить DGPS-приемник (базовую станцию) в точке с точно известными координатами, можно определять разницу между эталонными и GPS-координатами и ретранслировать поправки по радиоканалам на другие (ведомые) GPS-приемники.
  Базовую DGPS-станцию устанавливают на точке с точно известными высотой и плановыми координатами (например, на пункте государственной геодезической сети) либо на пункте, специально созданном в любом удобном месте и привязанном традиционными методами наземной геодезии к пунктам государственной геодезической сети.
  Сверхточные измерения с использованием приемников относительно невысокой точности сводятся к непрерывному сбору данных в течение некоторого отрезка времени при неподвижном приемнике и точном знании координат некоторой "опорной" точки, в которой установлена DGPS-станция. Современные GPS-приемники геодезического класса и даже класса картографии и ГИС уже позволяют выполнять съемочные работы в режиме "кинематической съемки", т. е. в режиме перемещения реечников от точки к точке, в каждой из которых координаты мгновенно регистрируются геодезистом на магнитные носители простым нажатием кнопки. То же самое можно делать и при выполнении съемки в реальном масштабе времени плана и профиля существующих автомобильных дорог при их реконструкции с движущегося автомобиля при скорости до 30 км/ч.
  Высокую точность определения координат точек местности при использовании базовых DGPS-станций можно обеспечить приемниками умеренной точности, находящимися на расстоянии в пределах до 10 км от базовой DGPS-станции. Корректирующий сигнал автоматически устраняет все возможные ошибки системы, независимо от того, связаны ли они с неточностью хода часов, ошибками эфемерид или ионосферными и тропосферными задержками радиосигналов. Именно по этой причине в качестве ведомых могут использоваться не только дорогие двухчастотные, но и относительно дешевые одночастотные приемники (рис. 11).
  
  Рис. 11. Схема геодезических измерений с использованием базовой станции "DGPS"
  
  Работу с базовыми опорными DGPS-станциями организуют двумя способами.
  В первом способе с опорной станции по телеметрическим каналам ведомым приемникам передаются сообщения об ошибках, а затем их компьютеры обрабатывают эти сообщения совместно с собственными данными о местоположении, определенном по спутниковым сигналам.
  Во втором способе базовая DGPS-станция работает в режиме "псевдоспутника". Станция передает сигналы той же структуры, что и спутники, т. е, содержащие псевдослучайные коды и информационные сообщения. Ведомые приемники обрабатывают сигналы базовой станции в одном из своих неиспользованных каналов, т. е. получают данные коррекции тем же путем, что и данные об эфемеридах от навигационных спутников орбитального комплекса.
  
  6. Наземно-космическая топографическая съемка местности
  
  Наземно-космические топографические съемки местности с использованием технических средств и технологий спутниковых навигационных систем "NAVSTAR" и "ГЛОНАСС" производят в системе координат 1942 г. (с эллипсоидом Ф.Н.Красовского в качестве поверхности и прямоугольной проекции Гаусса - Крюгера). Высоты точек местности определяются в Балтийской системе высот 1971 г.
  Топографическая съемка местности с использованием GPS-систем уровня точности картографии и ГИС типа "Pathfinder ProXL" (см, рис. 10) может осуществляться по нескольким технологическим схемам.
  Топографическая съемка открытой местности. Планово-высотное обоснование этой съемки заключается в установке дифференциальной базовой DGPS-станции на одном из пунктов государственной геодезической сети, либо на специальном пункте сети сгущения, размещаемом на возвышенном месте с привязкой его к пунктам государственной геодезической сети традиционными методами наземной геодезии.
  Базовая DGPS-станция обеспечивает ретрансляцию поправок к собственным измерениям координат переносными GPS-приемниками по псевдодальностям до рабочего созвездия спутников. Съемкой охватывается участок местности в радиусе до 10 км с субдециметровой точностью, достаточной для подготовки крупномасштабных планов инженерного назначения и цифровых моделей местности ЦММ. Число реечников ограничивается только количеством имеющихся в наличии у организации производящей работы GPS-приемников. Съемочные работы можно производить практически при любых погодных условиях: в туман, дождь, при снегопаде, сильной запыленности и в темное время суток.
  Для обеспечения работы по производству топографических съемок в реальном масштабе времени (т. е. в движении) необходимо перед началом съемочных работ произвести инициализацию (присвоение начальных значений) переносных GPS-приемников, которую осуществляют с помощью контроллера, где кроме того выбирают единицы измерений и системы координат, в которых предполагается выполнение топографической съемки.
  Реечники перемещаются по заранее намеченным маршрутам, фиксируя как при обычной тахеометрической съемке все характерные точки местности (переломные точки рельефа, ситуационные и другие характерные точки местности). Координаты точек местности, появляющиеся на дисплее контроллера, записываются на магнитные носители информации простым нажатием кнопки.
  Получение информации о местности в цифровом виде на магнитных носителях информации обеспечивает возможность проведения постизмерений в камеральных условиях для уточнения полученных результатов и последующую автоматизированную подготовку топографических планов на плоттерах и подготовку ЦММ для автоматизированного проектирования.
  Схему опережающего создания съемочных геодезических сетей используют при производстве топографических съемок в закрытой местности, где необходима рубка визирок и просек, установка и закрепление точек съемочного планово-высотного обоснования. Дальнейшая топографическая съемка в лесу может осуществляться комбинированным способом, т.е. с использованием традиционных методов и схем наземной тахеометрии и методами GPS-съемки с использованием GPS-систем, типа "Pathfinder ProXL", обеспечивающих работу под кронами деревьев.
  Схему постизмерений используют по окончании полевых работ, для чего информацию с подвижных GPS-приемников и базовых DGPS-станций заносят в память компьютера и с использованием специального программного обеспечения добиваются повышения точности спутникового позиционирования.
  
  
  7. Использование gps-технологий при изысканиях автомобильных дорог
  
  В рамках современной технологии изысканий автомобильных дорог при проектировании на уровне САПР-АД, а также при традиционных изысканиях, наряду с широким применением электронной наземной геодезии (электронные тахеометры, светодальномеры, регистрирующие нивелиры и т.д.), аэрофотосъемки и наземной стереофотограмметрии GPS-технологии в настоящее время стали находить все более широкое применение для решения следующих задач:
  - топографические крупномасштабные съемки местности на полосе варьирования трассы и для проектирования различных сооружений автомобильных дорог;
  - привязка геологических выработок и пунктов геофизических измерений на полосе варьирования трассы;
  - создание планово-высотных обоснований аэросъемок, фототеодолитных и тахеометрических съемок местности;
  - использование в качестве аэронавигационного оборудования при производстве аэросъемок различных видов и назначения;
  - разбивка трасс автомобильных дорог с продольным GPS-нивелированием;
  - съемка поперечников;
  - привязка геологических выработок и точек геофизических измерений по трассе автомобильных дорог;
  - привязка водопостов, съемка гидростворов и морфостворов, GPS-сопровождение гидрометрических работ (подводные съемки, измерения направлений, скоростей течения и расходов воды в реках, измерения расходов руслоформирующих наносов и т.д.);
  - планово-высотная привязка следов выдающихся и исторических паводков на местности;
  - съемка пересечений коммуникаций;
  - кинематические (с движущегося автомобиля) съемки плана и профиля дорог при изысканиях реконструируемых автомобильных дорог;
  - измерение траекторий автомобилей, параметров и режимов движения транспортных потоков на существующих автомобильных дорогах.
  Следует иметь в виду, что в ближайшем будущем GPS-технологии будут постепенно вытеснять традиционные методы и технологии производства изыскательских работ на автомобильных дорогах.
  
  8. Использование GPS-технологий при строительстве автомобильных дорог
  
  В современном строительстве автомобильных дорог и сооружений на них, наряду с широким использованием средств и методов электронной и лазерной геодезии, GPS-технологии стали находить все более широкое применение для решения следующих задач:
  - детальная разбивка трасс автомобильных дорог;
  - детальная разбивка земляного полотна;
  - геодезическое сопровождение строительных процессов;
  - управление работой строительных машин и механизмов;
  - создание разбивочных сетей при строительстве мостов, путепроводов, наземной тоннельной триангуляции;
  - GPS-сопровождение строительных работ при сооружении опор, береговых устоев, монтаже пролетных строений и сооружении мостового полотна мостов и путепроводов;
  - контроль точности и качества строительно-монтажных работ.
  
  
 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список

Кожевенное мастерство | Сайт "Художники" | Доска об'явлений "Книги"