Современные электронные тахеометры

Тахеометр – геодезический прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов, расстояний и превышений. Тахеометры пред-

назначены для тахеометрической съемки в целях получения плана

с изображением ситуации и рельефа. Они позволяют определять рас-

стояния, высоту недоступного объекта, осуществлять измерения относительно базовой линии, определять координаты, выполнять обратную

засечку.

Электронные тахеометры – наиболее распространенная группа

геодезических приборов. Это обусловлено тем, что они имеют самый

широкий круг областей применения: от развития ГГС и топографической съемки до инженерной геодезии и землеустройства.

Электронный тахеометр объединяет в себе возможности электронного теодолита, электронного высокоточного дальномера и полевого

компьютера. Сегодня электронные тахеометры находят широкое применение в строительстве, реконструкции и архитектуре, инженерных

изысканиях, наблюдениях за деформациями, землеустроительных

и кадастровых работах. Использование электронных тахеометров

на производстве позволяет значительно повысить производительность

работ, сократить время на камеральную обработку и упростить обработку полевых данных, исключить ошибки исполнителя (взятия отсчета, записи измерений, ручных вычислений), исключить применение

калькуляторов для расчетов (например, при выносе точек, вычислении

координат, при выполнении обратной засечки и других задачах). Появление безотражательных моделей тахеометров позволило проводить измерения там, где ранее это считалось невозможным или опасным. Со-

временные электронные тахеометры – это высокая надежность конст-

 

рукции, защита от воздействия воды и пыли, широкий набор прикладных

программ и удобное управление. Наиболее интеллектуальные модели оснащены большой внутренней памятью, позволяющей хранить данные

съемки. Электронные тахеометры успешно работают в различных погодных условиях, а для суровых условий севера специально разработаны низкотемпературные модели.

Все тахеометры можно разделить на три основные группы: простейшие, среднего класса, роботизированные.

Простейшие электронные тахеометры. Это самые простые по

выполняемым функциям электронные тахеометры. Запись данных про-

изводится, как правило, во внутреннюю память (если такая существует) или на внешний накопитель. Производят самые простые функции

измерений и вычисления (горизонтальные проложенные, превышение).

Угловая точность таких приборов находится в пределах 5″–6″, линейная – около 3–5 мм. Дальность измерения расстояния превышает

1100–1500 м по одной призме.

Ко второму типу электронных тахеометров относятся приборы

среднего класса. Эти тахеометры несколько дороже, но получили наиболее широкое распространение. Они имеют встроенное программное

обеспечение для производства практически всего спектра геодезических работ (развитие геодезических сетей, съемка и вынос в натуру, решение задач координатной геометрии: прямая и обратная геодезическая задача, расчет площадей, вычисление засечек). Угловая точность

у таких приборов может быть от 1″ до 5″ в зависимости от класса точности.

К третьему типу может отнести электронные тахеометры, оснащенные сервоприводом, что позволяет выполнить роботизированные

измерения. Эти приборы могут самостоятельно наводиться на специальный активный отражатель и производить измерения. Приборы с сервоприводом могут оснащаться специальной системой управления по

радио, при этом съемку может производить только один человек, находясь непосредственно на измеряемой точке. Подобная схема съемки

увеличивает производительность проведения съемочных работ пример-

но на 80 %. Если прибор с сервоприводом имеет безотражательный даль-

номер, то можно получить систему для съемок при проведении туннельных работ, съемки фасадов зданий, съемки карьеров, съемки поверхности дорог и других площадных объектов для построения ЦММ

с высокой степенью точности. Также роботизированные системы мо-__

гут быть использованы для слежения за деформациями объектов, съемки

движущихся объектов и т. д.

Таким образом, в распоряжении землеустроителей и специалистов в

области недвижимости находится аппаратура, обладающая исключительными возможностями: высокопроизводительный и высокоточный безотражательный дальномер, расширенное программное обеспечение, выносная инфракрасная клавиатура, практически неограниченное расширение

памяти.

4.3. Спутниковые геодезические определения координат точек

Система глобального позиционирования NAVSTAR GPS (NAVigation

Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) или просто GPS

является спутниковой радионавигационной системой (СРНС) космического базирования, разработанной по заказу Министерства обороны США

для обеспечения вооруженных сил средствами непрерывного действия

по определению их положения, скорости и времени в общеземной системе координат в любой точке на или около земной поверхности. Система

является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения пользователем точных координат, скоростей и времени в непрерывном режиме 24 ч в сутки. В настоящее время система открыта и для гражданских пользователей.

Для достижения таких важных качеств, как непрерывность и высокая точность определений, в составе любой современной СРНС функционируют три подсистемы:

• сеть навигационных спутников (космический сегмент);

• наземный командно-измерительный комплекс (сегмент управления);

• аппаратура потребителей (сегмент потребителей).

Основной операцией, выполняемой в СРНС, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени. В рамках такой организации СРНС выбран способ определения

местоположения потребителей на основе безопасных (пассивных) даль-

номерных измерений по сигналам нескольких навигационных спутников с известными координатами, что дало возможность работать с системой неограниченному количеству пользователей одновременно.

Наиболее важными понятиями, объясняющими принципы работы системы GPS, являются следующие.__

 

Спутниковая трилатерация – принцип получения координат объекта по измерениям со спутников, координаты которых известны.

Точные координаты аппаратуры пользователя (далее – приемника)

могут быть вычислены по изменениям расстояний от группы спутников

(если их положение в космосе известно). В этом случае спутники можно

рассматривать как пункты с известными координатами. Зная расстояние

до трех спутников с известными координатами, можно вычислить координаты определяемой точки.

Спутниковая дальнометрия – принцип измерения расстояний

до спутников.

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени

прохождения радиосигнала от космического аппарата до приемника,

умноженным на скорость света. Для того чтобы определить время распространения сигнала, необходимо знать, когда он покинул спутник.

Точная временная привязка – согласование показаний часов приемника и бортовых часов спутника.

Точность вычисления координат напрямую зависит от точности

хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и в приемнике

в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого,

чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS-приемник, поэтому измерения от четвертого спутника используются для устранения ошибок

хода часов приемника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приемнике не синхронизированы.

Расположение спутников – определение точных координат спутников в пространстве.

Система NAVSTAR GPS состоит из 24 спутников, находящихся

на круговых орбитах радиусом 20 200 км с орбитальным периодом

в 12 ч. В шести различных плоскостях, имеющих наклон к экватору

в 55 градусов, расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников

и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы. Такая кон-

фигурация позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие

земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем, т. е. созвездие из 24 спутников, находящихся на такой высоте, га-__

 

рантирует, что по крайней мере 4 спутника будут видны одновременно в

любой точке земной поверхности.

Министерство обороны США осуществляет непрерывное слежение

за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы

с собственным уникальным кодом. МО США имеет четыре станции

слежения за спутниками, три станции связи и центр, осуществляющий

контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции

слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные

в центр управления. В центре управления вычисляются уточненные элементы спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются

по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

Коррекция ошибок – учет ошибок, вносимых тропосферной

и ионосферной задержками.

Некоторые источники ошибок, возникающих при работе GPS, являются трудноустранимыми. Основными являются ошибки, вызванные

ионосферной и тропосферной задержками, многолучевостью и нестабильностью часов. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Одна-

ко в реальности все гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой

заряженных частиц на высоте 130–290 км) и тропосферу, его скорость

распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерении

дальности. В современных GPS-приемниках используют всевозможные

алгоритмы устранения этих задержек. Использование передачи спутниками навигационных сигналов на двух частотах позволяет исключить ошибку, вызванную ионосферной задержкой. Для исключения

ошибки, вызванной тропосферной задержкой, требуется построение

модели тропосферы для учебы и исключения этой ошибки.

Погрешности частично-временного обеспечения возникают вследствие несовершенства синхронизации бортовых шкал времени спутников,

а также бортовых эталонов шкал времени и эталонов частоты потребите-

лей. Эти погрешности могут приводить к серьезным ошибкам в определении дальности. Так, например, ошибка бортовой шкалы времени в 1 мс

приводит к эквивалентной ошибке определения дальности в 300 км.

Многолучевая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал__

 

 

отражается от объектов, расположенных на земной поверхности, что создает заметную интерференцию с сигналами, приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала

и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот

источник ошибок.

Раньше существовал еще один источник ошибок – это «Избирательный Доступ», искусственное снижение точности спутникового сиг-

нала, вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 м. Однако 1 мая

2000 года по решению президента США «Избирательный Доступ» был

отключен. Кроме того, его можно отключить, применяя технику дифференциальной коррекции.

Геоинформационные системы

Геоинформационные системы (ГИС) являются классом информационных систем, имеющим свои особенности. Они построены с учетом закономерностей геоинформатики и методов, применяемых в этой

науке. Географическая информационная система (ГИС) – информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ,

отображение и распространение пространственно-координированных

данных (пространственных данных). ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных,

растровых, квадротомических и иных), включает соответствующие за-

дачам набор функциональных возможностей ГИС, в которых реализуются операции геоинформационных технологий, поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.

ГИС, как интегрированные информационные системы, предназначены для решения различных задач науки и производства на основе

использования пространственно-локализованных данных об объектах

и явлениях природы и общества. Неразрывно с ГИС связаны геоинформационные технологии.

Геоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-технологических средств получения новых видов

информации об окружающем мире. Геоинформационные технологии

 

предназначены для повышения эффективности: процесс управления, хранения и предоставления информации, обработки и поддержки принятия

решений.

ГИС имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при

изучении этих систем.

Одна из особенностей ГИС состоит в том, что они являются элементами информатизации общества. Это заключается во внедрении ГИС

и геоинформационных технологий в науку, производство, образование

и применение в практической деятельности получаемой информации

об окружающей реальности.

Другой особенностью ГИС является то, что, как информационные системы, они являются результатом эволюции этих систем и по-

этому включают в себя основы построения и функционирования ин-

формационных систем.

Как система ГИС включает множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим

элементом, а два любых подмножества этого множества не могут быть

независимыми, не нарушая целостность, единство системы.

Еще одной особенностью ГИС является то, что она является интегрированной информационной системой. Интегрированные системы

построены на принципах интеграции технологий различных систем.

Они зачастую применяются настолько в разных областях, что их название часто не определяет все их возможности и функции. По этой при-

чине не следует связывать ГИС с решением задач только геодезии или

географии. «Гео» в названии геоинформационных систем и технологий

определяет объект исследований, а не предметную область использования этих систем.

Интегрированные ГИС совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегральной среде.

ГИС включает в себя возможности систем управления базами данных (СУБД), инструментов растровой и векторной графики и аналитических средств и применяются в геологии, метрологии, землеустройстве, экологии, муниципальном управлении, транспорте, экономике,

обороне.

По территориальному охвату различают:

• глобальные ГИС (global GIS);

• субконтинентальные ГИС;

• национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных;

• региональные ГИС (regional GIS);

• субрегиональные ГИС;

• локальные или местные ГИС (local GIS).

По тематической ориентации различают общегеографические

и отраслевые, в том числе водных ресурсов, использования земель, лесопользования, рекреации т. д.

По целям различают:

• многоцелевые;

• специализированные, в том числе информационно-справочные;

• инвентаризационные;

• для нужд планирования, управления.

ГИС различаются в зависимости от области применения. Напри-

мер, существуют городские ГИС и муниципальные ГИС (МГИС или

urban GIS), природоохранные (environmental GIS), экономические, статистические ГИС и т. п. Среди них особое значение, как особо широко

распространенные, получили земельные информационные системы.

Назначение ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными

и прикладными), такими как инвентаризация ресурсов, управление

и планирование, поддержка принятия решений.

Реализация геоинформационных проектов, создание ГИС в широком смысле слова включает в себя следующие этапы:

• предпроектные исследования, в том числе изучение требований

пользователя и функциональные возможности используемых

программных средств ГИС;

• технико-экономическое обоснование;

• оценка соотношения «затраты/прибыль»;

• системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проек-

та, разработку ГИС;

• ее тестирование на небольшом территориальном фрагменте или

тестовом участке или создание опытного образца;

• внедрение ГИС;

• эксплуатацию и использование.

Основными внутренними данными ГИС являются базовые цифровые карты и цифровые модели, теоретической основой которых являются положения и методы создания и использования их геодезической и математической основы, все элементы которых построены в еди-

 

ной геодезической системе координат, проекции, размерности и системе мер.

При создании и использовании карт, являющихся базой построения

данных ГИС, рассматривают и используют геодезическую систему координат и плоские прямоугольные координаты картографических проекций исходных материалов, геодезические координаты и проекции создаваемых базовых карт, на основе которых осуществляется построение цифровых м оделей в Г ИС и п рактически реализуются в се их задачи.

Рассматривается и используется также плоская локальная система координат, связанная с системой координат проекций создаваемых карт

и моделей ГИС, для построения единой системы, а также для ослабления искажений в ГИС из-за различных факторов (нечеткой настройки

элементов компьютерной техники, несовмещения красок, деформации

бумаги и т. п.).

Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно-локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементах математической основы карт ГИС, знаний о методах получения по карте различной информации, математических

и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.

Научные, технические, технологические и прикладные аспекты

проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

По широте и разнообразию входных данных геоинформатика не

имеет себе равных. Данные, собираемые в геоинформатике, выделяют

в особый класс данных, называемых геоданными.

Геоданные – данные о предметах, формах территории и инфраструктурах на поверхности Земли, причем как существенный элемент

в них должны присутствовать пространственные отношения.

Геоданные описывают объекты через их положение в пространстве непосредственно (например, координатами) или косвенно (напри-

мер, связями).

В целом следует выделить следующие технологии сбора данных

в геоинформатике:

• воздушная съемка, которая включает аэросъемку, съемку с мининосителей;__

 

• глобальная система позиционирования (GPS);

• космическая съемка, которая является одним из важнейших источников данных для ГИС при проведении природоресурсных исследований, экологического мониторинга, оценки сельскохозяйственных и лесных угодий и т. д.;

• карты или картографическая информация, которая является

основой построения цифровых моделей ГИС;

• данные, поступающие через всемирную сеть Internet;

• наземная фотограмметрическая съемка служит источником

информации для ГИС при анализе городских ситуаций, экологического мониторинга за деформацией и осадками;

• цифровая фотограмметрическая съемка основана на использовании цифровых фотограмметрических камер, которые позволяют выводить информацию в цифровом виде непосредственно

на компьютер;

• видеосъемка, как источник данных для ГИС, используется в основном для целей мониторинга;

• документы, включая архивные таблицы и каталоги координат,

служат основным источником данных для ввода в ГИС так называемой предметной или тематической информации, к которой относятся экономические, статистические, социологические и другие виды данных;

• геодезические методы используются для уточнения координатных данных. Геодезические методы сбора данных в ГИС включают неавтоматизированные и автоматизированные;

• источником данных для ГИС являются также результаты об-

работки в других ГИС;

• фотографии, рисунки, чертежи, схемы, видеоизображения и звуки;

• статистические таблицы и текстовые описания, технические

данные;

• почтовые адреса, телефонные книги и справочники;

• геодезические, экологические и любые другие сведения.

ГИС-технология позволяет собрать эти разрозненные данные

и в едином виде хранить, обновлять, анализировать, проводить любые

операции, следить за всеми изменениями, получать самые разные кар-

ты, планы, таблицы.

 

Важно, что результатом может быть не только серия карт в любом

выбранном масштабе и с исходной информацией или ее суммой,

но и аналитические карты, видеоизображения, массивы данных. Таким

образом, многоуровневая ГИС дает следующие преимущества для ее

пользователей:

• связывание и согласование всей информации в единую базу данных для принятия управленческих решений информационного

обеспечения на различных уровнях планирования;

• использование ГИС для получения, анализа и принятия решения пользователем по информации различной степени деятельности.

Геоинформационные системы (ГИС) широко используются в самых разных отраслях науки, управления и хозяйства. Эффективность

использования геоинформационных технологий достигается картографической формой представления информации и оперативными возможностями ее анализа. Разноплановая информация представляется в виде

отдельных слоев, а их совместный анализ в разных комбинациях позволяет получать дополнительную информацию в виде производных

слоев с их картографическим отображением (в виде изолинейных карт,

совмещенных карт различных показателей и т. д.).

На рынке программных продуктов предлагаются различные ГИС,

отличающиеся по функциональным возможностям, требованиям к аппаратным ресурсам и другим характеристикам.