Островський А.Л., Мороз О.І., Тарнавський В.Л. Геодезія, частина II

Подождите немного. Документ загружается.

Оптичні зчитуючі машини дозволяють читати сторінки з текстом або

символами.

У.

1.10. Наземні лазерні сканери

Наземні лазерні сканери є найсучаснішим, оперативним, швидким та

високопродуктивним засобом просторового знімання не тільки точок земної

поверхні, але й, що дуже важливо, просторового знімання споруд,

пам'ятників та інших культурних надбань людства. Наземні лазерні сканери

дозволяють отримати найбільш точну та найбільш повну інформацію про

просторові об'єкти. Суть технології у швидкому визначені одним візуванням

просторових координат багатьох точок поверхні об'єкта.

Процес реалізується завдяки вимірюванню віддалей до всіх точок

об'єкта, положення яких визначається за допомогою імпульсного лазерного

віддалеміра, що працює без відбивача. Вимірювання виконуються з дуже

великою швидкістю - тисячі, інколи десятки тисяч вимірів за секунду.

На шляху до об'єкта імпульси лазерного віддалеміра проходять

через систему, що складається із двох дзеркал, які можуть повертатися.

Одне дзеркало відповідає за вертикальне зміщення променя, друге - за

горизонтальне. Дзеркала сканера керуються прецизійними (точними)

сервомоторами. У кінцевому результаті саме ці мотори визначають

точність напряму променя лазера на об'єкт, знімання якого виконується.

Знаючи кут повороту дзеркала в момент спостереження та виміряну

віддаль, процесор вираховує координати кожної точки. Керування роботою

лазерного сканера виконується портативним комп'ютером за допомогою

спеціальних програм. Найбільш вдалими програмами керування роботою

сканерів вважається комплекс програм "Сусіопе"; найбільш досконалими

наземними сканерами в наш час вважаються сканери НОЗ 3000 фірми

Ьеіса. Назвати цей сканер найкращим в своєму класі дозволяє цілий ряд

його властивостей, а саме:

• область сканування з однієї точки - 360° (по горизонту та 270° по

вертикалі);

• точність визначення просторових координат точки ±6 мм для

віддалі 50 м;

• діаметр лазерної плями менше 6 мм на відділі 50 м;

• спеціальна цифрова фотокамера з можливістю автоматичного

калібрування;

• вибірковість області сканування;

• гнучка система енергозабезпечення із заміною батарей в режимі

"поІ-8\уар" (без зупинки).

На рис. V. 1.4 подано загальний вигляд наземного сканера Н08 3000.

У таблиці V. 1.2 подано його технічні характеристики.

Рис. У.1.4. Наземний сканер НБ8 3000.

Таблиця У.1.2

Технічні характеристики сканера НР5 3000

| Характеристики

Величини 1

І Точність визначення положення точки

6 мм на 50 м "

1 Точність вимірювання віддалі

4 мм "

Кутова точність, мікро радіани

60 («12")

Тип лазера

імпульснии

Максимальна віддаль

100 м

Частота сканування (точок в секунду)

1800

Вибірковість по вертикалі (горизонталі),

мм

1,2 між точками для 5 = 50 м

Максимум точок по вертикалі

(горизонталі)

5000/20000

Поле зору по вертикалі (горизонталі) 2707360°

Відео пошук вмонтована цифрова камера

Відео наведення

визначається користувачем

одне фото 24x24

1024x1024 пікселів

Час роботи акумулятора (години)

до 6

Розмір сканера, мм

265x370x510

Маса, кг

Комплекс "Сусіопе" об'єднує ряд програм. Серед них відзначимо |

Сусіопе МСЮЕЬ. Ця програма володіє унікальним набором функцій для [

створення тримірних моделей об'єктів на основі множини визначених точок, |

що дістали назву "хмари точок" і за допомогою яких можна отримати і

тривимірні моделі складних промислових об'єктів, знімання яких тради- •

ційиими способами зайняла б неймовірно велику кількість часу. Також в ;

480

наборі засобів Сусіопе МОІЗЕЬ є можливість побудови нерегулярних мереж

трикутників, що відображають поверхню складних об'єктів. Такий підхід

дозволяє отримати просторові моделі рельєфу у вигляді звичного для нас

фотоплану. Тобто, програма дозволяє вибрати з "хмари" точок необхідні

фрагменти та очистити даний об'єкт знімання від непотрібних деталей,

спростити опрацювання та підвищити точність.

На завершення опису сканерів ще раз зазначимо, що сканування

застосовується в різних галузях діяльності людини в архітектурі й

археології, у промисловому, цивільному та транспортному будівництві, в

машинобудуванні, в нафтово-газовій та інших галузях.

481

V.2. Цифрові плани та карти

У.2.1. Загальні відомості про цифрові моделі місцевості

Цифрові моделі місцевості (ЦММ) створюються як за результатами

наземного знімання, без фотограмметричних матеріалів, так і на основі

матеріалів, отриманих в результаті наземного фототеодолітного або аерофо-

тознімання. Знімання значних територій, як відомо, виконується переважно

методами аерознімання. Технології створення ЦММ без фотограмметричних

матеріалів, переважно на основі електронної тахеометрії значно відріз-

няються від технологій створення цифрових планів та карт на основі

фотограмметричнім матеріалів. Тому в цьому підрозділі описані основні

технологічні процеси створення ЦММ з використанням фотограмметричних

матеріалів і без них [4].

Під цифровою моделлю місцевості (ЦММ) розуміють множину,

елементами якої є топографо-геодезична інформація про місцевість і пра-

вила користування моделлю. Цифрова модель місцевості (ЦММ) є об'єд-

нанням моделі поверхні Землі (МПЗ) і моделі інженерного призначення

(МІП).

МПЗ - це множина, елементами якої є топографо-геодезична інфор-

мація про місцевість у тому чи іншому вигляді (їм) і правила користування

мод&гчю (Пм), які дозволяють однозначно й із заданою точністю отримувати

необхідні характеристики місцевості.

МПЗ=(Ім,Пм). (У.2.1)

МПЗ включає в себе сукупність моделей ситуації та рельєфу, а

також відповідну проекцію.

Модель ситуації (МС) - множина, елементами якої є інформація про

ситуацію (Іс) та правила користування цією моделлю (Пс).

МС=(Іс,Пс). (У.2.2)

Модель рельєфу (МР) - множина, елементами якої є інформація про

рельєф місцевості (Ір) і правша користування цією моделлю (Пр), які

дозволяють однозначно й із заданою точністю отримувати необхідні харак-

теристики рельєфу місцевості.

Цифрові моделі місцевості (ЦММ) не тільки призначені замінити

образно-знакові моделі місцевості у вигляді різних паперових, графічних

планів та карт, але й накопичувати топографо-геодезичну інформацію в

інформаційно-пошукових системах (1ПС), щоброзв 'язувати за їх допомогою

цілий ряд інженерних задач.

Саме тому ЦММ є об'єднанням моделі поверхні Землі (МПЗ) і моделі

інженерного призначення (МІП).

Дамо визначення цій останній моделі. МІП - множина, елементами

якої є інженерна інформація про місцевість (Іі) і правша користування цією

інформацією (Пі), необхідною для безпосереднього розв'язання цілого ряду

інженерних задач та задач народного господарства.

482

Багато тисячоліть графічні плани та карти, які з'явилися раніше

писемності, служили людям і задовольняли їх потреби. Дійсно, паперові

карти на обмеженому аркуші паперу несуть надзвичайно великий об'єм

інформації, завдяки не тільки накресленим графічним знакам та символам,

але й асоціативно-образним сприйняттям користувача знакових комбінацій

та розміщень в умовно-тривимірному просторі карти.

Виникає питання: що трапилось, чому виникла необхідність замінити

графічні плани та карти цифровими?

Численні спроби дати повний математичний опис картографічної

інформації, навіть з урахуванням найостанніших досягнень в області

інформації з її комбінаторними моделями, виявились невдалими. Одним із

недоліків математичного опису інформації карт є дуже різноманітні

просторово-логічні відношення (ПЛВ) об'єктів місцевості у вигляді їх

сполук: перетинів, сусідства, входжень, різновидностей за рельєфом,

орієнтування за сторонами світу й т.д. Вони не мають на картах безпосе-

реднього ні умовно-знакового, ні текстового позначення, але формуються в

нашій свідомості. Існує ще більш глибока аналітична інформація карт. Так,

за характером рельєфу, видах рослинності, міграції рік визначають

відповідні геоморфологічні структури земної поверхні, прогнозують місце

залягання корисних копалин, розташування підземних вод і таке інше.

Цей вид картографічної інформації, пов'язаний з абстрактно-

аналітичним мисленням людини, і є результатом не тільки сприйняття

комплексних систем образно-знакової інформації, але й визначений рівнем

підготовки карт у відповідній області наукових знань, наприклад,

геоморфології, геоботаніці й т.п. Математичне формулювання цієї частини

образно-знакової інформації є найскладнішою проблемою, розв'язання якої

хоча й можливе, але, напевно, тільки в далекому майбутньому.

Одночасно сучасний розвиток науки й техніки, пов'язаний з надзви-

чайно швидким отриманням і опрацюванням великих масивів інформації

про Землю та простір навколо неї, настирливо диктує необхідність пошуку

шляхів представлення інформації про місцевість у формі, зручній для

швидкого опрацювання її на сучасних комп'ютерах. Це стосується, в першу

чергу, карт та планів, що використовуються в науково-дослідних,

проектних, пошукових роботах, пов'язаних із будівництвом великих

інженерних споруд, транспортних комунікацій, нафто- та газопроводів,

каналів, ліній електропередач, автоматизованих інформаційно-пошукових

систем, а також різних засобів управління й систем навігації.

Головний недолік використання паперової картографічної інформації

полягає в тому, що введення такої інформації в комп'ютер займає вкрай

багато часу, у сотні разів більше, ніж опрацювання цієї інформації маши-

ною, що є серйозним бар'єром розвитку автоматизованих високоефективних

технологій. Для подолання цього бар'єру є лише один шлях, якому немає

альтернативи, а саме: для успішного застосування сучасних комп'ютерів та

засобів автоматизації необхідно замінити образно-знакові карти та плани на

483

цифрові (ЦКМ, ЦПМ), які задовольняють вимогу прямого введення й

опрацювання топографічної інформації на сучасних комп'ютерах.

Інформація, яка отримується в результаті топографічного знімання,

фотограмметричного опрацювання космічних та аерознімків, або береться з

існуючих графічних карт та планів, перетворюється в цифрову (двійкову)

систему числення й після відповідного опрацювання на комп'ютері

формується в цифрові карти та плани.

Слід також відзначити, що від вирішення цієї проблеми залежить

також розвиток засобів автоматизації складання та оновлення традиційних

карт та планів, які залишаються необхідними в багатьох галузях діяльності

людини. До того ж у наш час у багатьох країнах світу цифрові карти й плани

в основному створюються за традиційними графічними оригіналами. Це

пов'язано з тим, що багато країн уже мають високоточні плани та карти. Це

по-перше. По-друге: оновлення застарілих або створення нових карт іншого

масштабу та призначення набагато ефективніше здійснювати автоматизо-

ваним шляхом цифрової картографічної інформації. Виявилось найдоціль-

ніше мати наперед заготовлену цифрову картографічну інформацію, так

званий банк картографічних даних (БКД). Маючи такий банк можна швидко

створити ЦКМ або ЦПМ будь-якого масштабу, призначення й задовольнити

вимоги якого завгодно споживача.

Останнім часом загальний банк картографічних даних (БКД) країни

називають

національною

інфраструктурою геопросторових даних.

Крім того, слід відзначити, що потреби в цифрових планах та картах з

часом збільшуються.

1/.2.2. Вимоги до цифрових карт та планів

Незалежно від того, якими методами та технічними засобами

створюються карти та плани, вони повинні задовольняти наступні головні

вимоги.

За змістом, проекцією, системою координат та висот, точністю та

розграфленням (номенклатурою) цифрові карти та плани повинні повністю

відповідати вимогам, які ставляться до традиційних образно-знакових карт

та планів. Адекватне співвідношення властивостей образно-знакових та

цифрових карт місцевості продиктовано тим, що сучасна картографічна

інформація за всіма своїми параметрами, крім форми відображення,

задовольняє науково-технічний прогрес відповідних областей науки й

техніки і не виникає необхідності в створенні особливих вимог до ЦКМ та

ЦПМ. До числа основних вимог слід віднести також строге дотримання

єдиної системи юіасифікації й кодування інформації (ЄСККІ) про місцевість

усіма виробниками цифрових планів та карт.

Ці дві вимоги до ЦКМ та ЦПМ у ряді країн зведені до степеня

державного стандарту, що дозволяє за більш короткі терміни створити

єдиний національний банк картографічних даних (БКД), тобто створити

єдину національну інфраструктуру геопросторових даних країни. Заува-

484

жимо, що чим більш великомасштабною буде базова цифрова інформація,

тим ширші будуть можливості БКД, тим більше буде користувачів і тим

дешевше будуть коштувати цифрові плани та карти.

Необхідним під час створення цифрових планів та карт є врахування

можливостей візуалізації їх змісту в адаптованих (дещо спрощених) або

стандартних умовних знаках та кольорах традиційних карт з використанням

програмно-технічного комплексу (кольорових графічних дисплеїв, графопо-

будовувачів та других картографічних приладів). Це дасть можливість

автоматизувати процес картографічної генералізації, редагування та

контролю якості цифрових планів та карт.

У.2.3. Поняття про кодування топографо-геодезичної інформації

(ТГІ)

Опрацювання топографо-геодезичної інформації (ТГІ), необхідне для

введення в комп'ютер, починається з кодування ТГІ. У відповідності з теорією

інформації, система кодування повинна бути економна. Економність визна-

чається числом елементарних сигналів, необхідних на передачі повідомлення.

Чим менше елементарних сигналів у коді, тим економніше кодування.

Система кодування елементів знімання повинна задовольняти

наступні вимоги:

1. Однозначність - кожному елементу знімання відповідає одне

кодове позначення, яке не повинно бути початком іншого, більш

довгого, кодового позначення;

2. Ефективність - довжина кодового позначення обернено

пропорційна частоті появи даного об'єкту знімання;

3. Логіка зв'язку з назвою об'єкту - скоріше запам'ятовується код;

4. Функціонування інженерно пошукової системи (ІПС) та банку

даних - за будь-якою ознакою виконується сортування кодів;

5. Повноті передачі якісних ознак об'єкту знімання. Наприклад,

використовуючи буквено-цифровий код;

6. Контроль кодування вихідної ТГІ, як візуально, так і машинним

способом, наприклад, завдяки чергуванню букв та цифр;

7. Розвитку та вдосконаленню системи - можливість додавати нові

коди, замінюючи старі.

Окремо кодуються три масиви інформації:

1. Загальна інформація (на весь об'єкт знімання);

2. Метричний і синтаксичний масив інформації. Метрична інфор-

мація кодується переважно числами. Її доповнює синтаксична

інформація (синтаксис - від грецького - побудова, устрій, зв'язок);

3. Семантичний і структурний масив інформації (семантика - від

грецького — означальний, змістовний). Цей масив інформації

вказує на зміст та структуру об'єктів, що підлягають зніманню.

У таблиці У.2.1 подано кодування класів елементів знімання почат-

ковими літерами. Головним виглядом кодового позначення елементів

485

знімання прийняті скорочення слів із пропусками голосних (залишаються

три-чотири приголосні). Наприклад, лінії зв'язку класифіковані на телефонні

- ТЛФ, телебачення - ТЛБ, кабельні - КБЛ, що узгоджується із прийнятими

в "Умовних знаках" скороченнями: водокачка - ВДКЧ; водосховище -

ВДСХ і т.п.

Таблиця У.2.1

Кодування класів елементів топографічного знімання (введенні в Росії)*

№№

Класи елементів знімання

Умовні

позначення класів

Опорні пункти

Обоснование

Споруди, будівлі, їх частини

Дома

Скульптури, місця захоронення

Захоронения

Об'єкти промислового і

комунального господарства

Хозобьектьі

Об'єкти зв'язку

Связь

Залізниці і споруди біля них

Железньїе дороги

Шосейні та грунтові дороги

Шоссейньїе дороги

Гідрографія, гідротехнічні об'єкти

Гидрография

Об'єкти водопостачання

Водоснабжение

Мости та переправи

Мостьі

Рельєф

Рельеф

Рослинність

Насаждения

13 Грунти і мікроформи Земної поверхні

Поверхность

14 Болота та солончаки

Болота

Межі

Контурьі границ

Огорожі

Изгороди

Водний транспорт Водньїй транспорт

Із незначними змінами може бути прийнятий і в Україні.

Якщо назва елементів складаються з двох слів, то застосовують

скорочений запис із початкових букв: державна мережа - ДМ, робоча

мережа - РМ. Об'єкти, що часто зустрічаються, повинні мати короткі кодові

позначення порівняно з тими, що зустрічаються рідше, наприклад, на

забудованих територіях ліхтарі зустрічаються частіше, ніж фонтани, тому їх

коди відповідно Ф і ФНТ.

Матеріал об'єкту знімання кодується цифрами 1,2, ... відповідно до

їх наявної частоти.

У наш час на забудованій території найчастіше зустрічаються залізо-

бетонні конструкції (код № 1), потім - кам'яні (2), металеві (3), дерев'яні (4),

мішані (5). Коди трубопроводів відповідають їх частоті та розташуванню:

підземні - 1, наземні - 2, надземні - 3. Схема створення коду будинків така:

стан (житловий - Ж, нежитловий - Н, розвалений - Р, що будується - Б).

Якщо вказується матеріальний стан будинку, тоді, наприклад, Ж1 (житло-

486

вий, залізобетонний). Коли потрібні характеристики кількості поверхів та

розташування пікетів біля споруди, тоді додається буква, що вказує

розташування пікету (кут - К, стіна - С), а кількість поверхів вказується

двома цифрами. Так, код семантичної (змістової) характеристики п'яти-

поверхового житлового будинку із залізобетонних конструкцій буде таким:

Ж1К05 або Ж1С05. Така послідовність букв і цифр дає можливість

кодування і контролю кодувань.

Під час створення систем умовних знаків для їх машинного відтво-

рення (репродукування) необхідно також врахувати прийняту економність:

чим частіше зустрічається елемент, тим простіше повинно бути викреслю-

вання умовного знаку, що зображає даний елемент.

Кодується також масив вихідних даних, до яких відносяться каталоги

координат та висот основи, пікетів, записані, наприклад, на магнітні носії.

Вихідними можуть бути, якщо потрібно, координати точок горизонталей.

Приклади

Прийняті |

зображення

Стилізовані зображення

(для комп'ютера)

Комунальний колодязь

Є •

2 Дерево

0 А

3 Ліхтар

4 Навіс

Р---Т

1 1

1 !

Дім, що будується

(Ж1

ЇЖІ

У.2Л. Алгоритми опрацювання польової інформації

У результаті топографічного знімання (наприклад, електронного

тахеометричного) у журналах або машинних носіях створюється три масиви

інформації.

Загальна інформація /

на всю ділянку знімання:

= [/;,/

,с], (У.2.3)

де 1

- код об'єкта, залежний від інженерно-пошукової системи (ІПС); її -

код масштабу знімання; І

- код методу знімання; /

та С - відповідно код

та постійна (константа) приладу, яким виконувалося знімання.

Метрична інформація для т станцій:

= [(/?,

<г

А,

ДII5, (і - и)), {,{Р,ст\Мі,0\}5, (/ - и))

;...;

(/?,(ТІІЛ,Ли 5, (»- ц)\; (/?, О-II А, й II5, (/ -»)),,;

(А<тиА,ЯІІ5,(/-и))

ир

]

487

де р та а - відповідно відліки горизонтального та вертикального круга

тахеометра; к - перевищення; £> - нахилена віддаль; 5 — горизонтальне

прокладення до пікету, що визначається; і - висота приладу; и - висота

візування під час наведення труби на у-й пікет; р — останній пікет.

Нагадаємо: СІ - математичний знак об'єднання.

Семантична інформація для т станцій:

/ш =[(л'пк,и

,К)

-{Н

,М

,К\

,...-, {М

пк

,М

,К)и\

{М

пк

,М

,К)

ті

\{И

пк

,М

,К)

т2

-..- {М

пк

,м

л)

ті>

]

де А'

ла

, - номер у -го пікету, що визначається; И

- номер пікету, з яким

треба з'єднати у -й пікет; К^ - код у -го елемента знімання.

У масивах (У2.4), (У.2.5) першим пікетом є станція стояння, а

першим номером з'єднання номер станції орієнтування тахеометра И

У подальшому вибирається код масштабу знімання, за яким буде

масштабуватися або вибиратися цифрова інформація з бібліотеки умовних

знаків. За кодом типу приладу і методу знімання масив (У.2.3)

перетвориться за відомими формулами в масив {{А)) - координати і висоти

пікетів у відповідній проекції:

{{Л))=]х,,Г

,щ\, (У.2.6)

де / - номер станції, а ] - номер пікета.

Після обчислення координат та висот пікетів у комп'ютері

виконується об'єднання масивів (У.2.6) і (У.2.5) у масив {(В)) :

({В)) = Іс

Г)А =

1{Н

,М

с>

кЩх

ір

Н^\.

(У 2.1)

В формулі (у.2.1) П - математичний знак перетину.

{М

пк

,М

,К,Х,У,ні;№

,М

,К,Х,У,Н)

2і

, (У.2.Й)

„^

,К,Х,У,Н)

тр

Масив ((В)) у вигляді (У.2.8) є каталогом координат та висот еле-

ментів знімання з відповідними кодами. Наступною задачею є формування

моделі поверхні Землі. Модель поверхні Землі (МПЗ), як відомо, складається

з моделі ситуації (МС) та моделі рельєфу (МР). Ці моделі формуються

окремо з масиву ({В)). Далі окремо розглянемо суть цих моделей та їх

алгоритми.

488