Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии создания плана г. Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии создания плана г. Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города"

На правах рукописи

ШАХИН АЛИ ФУАД МОХАМЕД

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ПЛАНА ГОРОДА ХЕВРОН С ЦЕЛЬЮ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЕДИНОЙ СЕТИ КАНАЛИЗАЦИИ ГОРОДА

Специальность 25.00.32 - Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005007162

1 2 ЯНВ 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

005007162

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Гусев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Макаров Геннадий Васильевич,

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация - ООО НПП «БЕНТА».

Защита диссертации состоится 12 января 2012 г. в 13 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 9 декабря 2011 г.

Брынь Михаил Ярославович

диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Ю.Н.КОРНИЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В городе Хеврон (Палестина) к настоящему моменту существует достаточно разветвленная канализационная сеть. Однако в связи с интенсивным его строительством имеется потребность проектирования и создания единой канализационной сети. Существующий план города морально устарел и не отвечает современным техническим требованиям проектирования на его основе такого сложного инженерного сооружения как единая канализационная сеть большого города. В этой связи чрезвычайно актуальным является выполнение полевых и камеральных работ по современным технологиям с целью создания крупномасштабного цифрового топографического плана города, который необходим для эффективного решения, как задачи проектирования канализационной сети, так и многих других инженерных задач.

В данной работе затронуты вопросы, касающиеся методов и методик выполнения полевых и камеральных работ, уравнивания и оценки точности геодезических измерений, которым посвящены работы известных учёных С.А. Коробкова, В.А. Коугия, Г.В. Макарова, A.C. Ярмоленко, М.Я. Брыня, В.Н. Баландина, В.Н. Ганьшина, И.П. Иваницкого. Кроме того, проведённые исследования выполнялись с учётом работ A.B. Комиссарова, Е.М. Медведева, А.И. Науменко, А. В. Середовича - известных учёных в области применения лазерно-сканирующих технологий для

геодезических съёмок.

Цель работы. Разработка технологии создания крупномасштабного плана г. Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города.

Идея работы заключается в обосновании технологической схемы создания цифрового топографического плана города на основе выполнения комбинированной тахеометрической и лазерно-сканирующей съемки.

Задачи исследования:

1. Изучить среду, условия и специфику производства топо-

графо-геодезических работ.

2. Проанализировать вопросы, связанные с техническими нормативами создания планово-высотного обоснования.

3. Выбрать картографическую проекцию, методы и технические средства выполнения крупномасштабной топографической съемки.

4. Изучить влияния на точность и достоверность лазерно-сканирующей съемки местоположения марок внешнего ориентирования относительно прибора.

5. Выбрать алгоритмы и разработать на их основе программные модули для автоматизации решения линейной засечки, процедур уравнивания и оценки точности.

Методы исследования:

1) аналитико-математический метод оценки погрешности создания съемочного обоснования;

2) анализ данных геодезических изысканий, проводимых на объекте съёмки;

3) моделирование измерительных процессов ориентирования сканов по маркам внешнего ориентирования;

4) методы математической статистики для оценки результатов моделирования, и погрешностей съемочного обоснования.

Защищаемые научные положения:

1. В условиях ограничений применения спутниковых методов, основные принципы технологии создания цифрового крупномасштабного плана г. Хеврон базируются на комплексном сочетании методов тахеометрической съемки и лазерного сканирования, исходя из максимальной адаптации к условиям съемки.

2. На точность лазерно-сканирующей съемки существенно влияют геометрические параметры расположения марок внешнего ориентирования: их расстояние до лазерного сканера, превышение, горизонтальный угол между направлениями на смежные марки. Причём погрешности ориентирования сканов зависят от названных параметров экспоненциально.

3. Для оценки точности линейной засечки целесообразно использовать полученный на основе специальной функции формы алгоритм расчёта в виде разработанного программного модуля.

Научная новизна выполненной работы:

1. Для повышения оперативности составления и достоверности цифрового плана обоснован комплексный подход по совершенствованию топографической съемки, заключающийся в комбиниро-

ванном использовании тахеометрического метода и лазерно-сканирующих технологий, для каждого из которых определены условия применения и технические требования. В частности, ведение абриса в цифровом виде.

2. Установлено, что для горизонтальных углов между направлениями на смежные марки 60 -г 120°, чем больше превышение между этими марками, тем меньше погрешность определения высотного положения сканера при неизменном значении погрешности положения в плане. Для горизонтальных углов между направлениями на смежные марки 5 н-20° выявлено, что чем больше превышение между марками, тем меньше погрешности определения положения сканера по высоте и в плане. Установлено, что чем больше расстояние между марками и сканером, тем больше высотная и плановая погрешности определения положения сканера. Выявленные закономерности носят экспоненциальный характер.

3. Разработан альтернативный алгоритм оценки точности положения точки одним числом с автоматизацией этой процедуры в среде специально разработанного программного модуля.

Достоверность результатов исследований:

Подтверждается большим числом экспериментальных данных по моделированию процедур и процессов геодезических измерений, работоспособностью по результатам тестирования разработанных программных модулей по обработке геодезических измерений, положительными результатами использования полученных выводов и рекомендаций в съёмочных работах лазерно-сканирующими системами.

Практическое значение диссертации:

- разработанная технология позволяет повысить точность и надежность создания цифрового крупномасштабного топографического плана города;

- предложены рекомендации по оптимизации схем расположения марок внешнего ориентирования, повышающие точность процедуры регистрации сканов в единой системе координат;

- разработанные программные модули, автоматизирующие процедуры решения, уравнивания и оценки точности линейной за-

сечки адаптированы для данных условий и доведены до практического их использования при создании сети трилатерации;

- даны рекомендации по съемке и выносу проекта на участок строительства подземных коммуникаций.

Реализация результатов работы: Результаты диссертационной работы рекомендованы для выполнения съёмочных и камеральных работ при создании цифрового крупномасштабного топографического плана г. Хеврон и проектировании на этой основе единой канализационной сети.

Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном горном университете для студентов геодезических и маркшейдерских специальностей.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инженерной геодезии» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), Международной конференции «Проблемы безопасности на железно-дорожном транспорте» (г. Москва, 2009г.), на научном семинаре «Актуальные проблемы применения современных средств получения и обработки геопространственных данных при решении геодезических, маркшейдерских и кадастровых задач» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела» (г. Екатеринбург, 2010 г.)

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 публикациях, из них 5 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК

Минобрнауки России

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (109 литературных источника), изложенных на 116 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 33 рисунка.

Автор выражает благодарность научному руководителю доценту д.т.н. В.Н. Гусеву за оказанную методическую и техническую помощь в написании диссертационной работы и признательность доцентам кафедры маркшейдерского дела к.т.н. Е.М. Волохову и

к.т.н. Г.П. Жукову за конструктивные замечания и советы по корректировке содержания автореферата и диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе дается характеристика объекта работ: физико-географическое описание района работ, топографо-геодезическая изученность.

Вторая глава посвящена разработке технологии выполнения полевых работ с целью создания крупномасштабного цифрового топографического плана города.

В третьей главе разработана лазерно-сканирующая технология при создании цифровой топоосновы города.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов проектирования единой сети канализации города на основе созданного крупномасштабного топографического плана.

В пятой главе представлена информация о практическом использовании результатов диссертационных исследований.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

1. В условиях ограничений применения спутниковых методов, основные принципы технологии создаиия цифрового крупномасштабного плана г. Хеврон базируются на комплексном сочетании методов тахеометрической съемки и лазерного сканирования, исходя из максимальной адаптации к условиям съемки.

Город Хеврон, один из древнейших городов мира, является самым крупным городом Палестины. Площадь города - 1060 км2, численность населения - 542,5 тыс. (перепись 2006 г.). Город расположен на средней высоте 930 м над уровнем моря. Ввиду сложного рельефа амплитуда высот достигает 170 м. В настоящее время город

интенсивно расширяется, что требует соответствующего расширения сети канализации и стыковки новой сети с существующей с целью создания единой канализационной сети города.

Государственная геодезическая сеть в Палестине была создана в конце 40-х годов прошлого века английской геодезической службой. В 1960 г. выполнена реконструкция сети, что было вызвано необходимостью уточнения положения пунктов в соответствии с требованиями действовавших на тот момент нормативно-технических актов. Позднее, координаты пунктов неоднократно уточнялись в соответствии с требованиями Палестинских инструкций, которые близки к требованиям Российских нормативных документов.

В городе Хеврон и его окрестностях имеется ряд пунктов государственной геодезической сети. Эти пункты послужили в качестве исходных для создания планово-высотной съемочной сети, предназначенной для выполнения топографической съемки. Плановая съемочная сеть создавалась методом трилатерации с измерением сторон с помощью электронного тахеометра, поскольку на СРБ-измерения со стороны служб безопасности Израиля наложены ограничения. Высотная съемочная сеть создавалась методом геометрического нивелирования с измерением превышений с помощью прецизионного нивелира. Нуль высот совмещен со средним уровнем Средиземного моря.

В техническом проекте предусматриваются следующие параметры: эллипсоид - WGS-84; картографическая проекция -1ЛГМ; масштаб съёмки - 1:2500; высота сечения рельефа - 1 м; допуск точности определения планово-высотного положения съемочных точек - 0,2 м. Используемые технические средства: электронный тахеометр БОКИ А 8ЕТ2С; прецизионный нивелир БОККГА В1; лазерный сканер ЬМ8-24201

Топографическую съемку предложено выполнить комбинированным методом. Сущность метода заключается в совместном использовании тахеометрической и лазерно-сканирующей съемки.

Каждому виду съёмки п рисущи соответствующи е преим у-щества и недостатки. Применение тахометрической съемки наиболее эффективно на малозастроенной территории, при этом её скорость сравнительно невысока. Лазерно-сканирующая съемка наибо-

лее эффективна при её использовании в городских условиях. Съёмку возможно осуществлять в любое время суток. Однако, как показывает практика, камеральная обработка результатов лазерного сканирования требует в несколько раз больше времени, труда и финансовых средств, чем собственно полевые измерения.

Технология производства тахеометрической съемки изложена в соответствующих инструкциях. При этом наиболее целесообразно использование электронного тахеометра в автоматизированном режиме, а при ведении абриса - цифрового фотоаппарата. Последнее значительно увеличивает его информативность, что облегчает интерпретацию результатов съемки при составлении топографических планов.

Обобщенная технологическая схема выполнения лазерно-сканирующей съемки включает в себя: создание рабочего планово-высотного обоснования; производство съемки; ведение абриса; камеральные работы.

Рабочее планово-высотное обоснование предназначено для ориентирования каждого скана в заданной системе координат с помощью 4-5 специальных марок, располагаемых вокруг лазерно-сканирующей станции. Пространственные координаты марок определяются с помощью электронного тахеометра. Обязательным условием является однозначное опознавание марок на точечной модели.

Процесс выполнения измерений на лазерной станции включает в себя следующие этапы: установление связи лазерного сканера с управляющим программным обеспечением, задание области и шага сканирования, непосредственно сканирование. Угловой шаг сканирования (р выбран в соответствии с формулой: (р = (/ / £>)•/?, где / -линейный шаг сканирования; р ~ 57,3°. Для планов масштаба 1:2500, приняв / = 10 см при В = 60 м, получим ср = 0,1°. В процессе лазерно-сканирующей съемки определяются пространственные прямоугольные координаты X, У, 2 точек лазерных отражений от поверхности снимаемых объектов, что реализуется путем измерения наклонных дальностей В до определяемых точек с помощью лазерного безотражательного дальномера с регистрацией вертикального и горизонтального углов для каждой измеренной дальности.

Топографический план создаётся по компьютерному изображению ряда сканов, объединённых в единую систему координат в ортогональной проекции, которое, по сути, является аналогом ор-тофотоснимка участка местности. На такой цифровой основе воспроизводят средствами графической программы контуры снятых объектов, наносят сети подземных коммуникаций с организацией информации об их характеристиках и назначении.

Обработка результатов лазерно-сканирующей съемки требует специальных программных средств и компьютерных ресурсов. Существует большое число программных комплексов, предназначенных для обработки лазерно-сканирующей съемки, например RapidForm, Cyclone, GModeler и др. Эти комплексы позволяют осуществлять: управление и контроль процессом сканирования в режиме RTM; объединение сканов в единое геопространство; оценку точности выполненных измерений; построение полигональных моделей, экспорт в системы AutoCAD, Miocrostation, Integraph и др.

В диссертации, с учётом полученных результатов исследований, изложены методические подходы и рекомендации по геодезическому обеспечению проектирования, строительства и поиска сетей канализации.

Водопроводно-канализационная городская сеть, обеспечивающая отвод хозяйственно-бытовых стоков и атмосферных осадков, представляет собой сложное инженерное сооружение. Состоит из трубопроводов (магистральных и отводных), смотровых и пере-падных колодцев, станций перекачки, коллекторов, дренажей, водостоков.

Планово-высотное положение подземных коммуникаций и относящихся к ним надземных объектов определяется на незастроенной территории от точек съемочного обоснования с использованием электронного тахеометра, на застроенной территории - от чётко выраженных контуров капитальной застройки, от точек опорной геодезической сети и съемочного обоснования на базе комбинированного метода топографической съемки с использованием электронного тахеометра и лазерного сканера. Лазерно-сканирующий метод применяется также выборочно при съемке объектов подземных коммуникаций (колодцев, коллекторов и др.).

На основе данных съемки канализационной сети создаются информационные системы, с помощью которых осуществляется:

- хранение данных (информация о пространственном положении объектов трубопроводов, картматериалы и др.);

- создание исполнительных чертежей трасс коммуникаций;

- создание топографического плана города с нанесением на него существующей и проектируемой канализационной сети.

Таким образом:

• Комбинированный метод топографической съемки целесообразно применять в городских условиях. При этом электронный тахеометр используется для съемки незастроенных или слабозастроенных территорий, лазерный сканер применяется для съемки застроенных территорий.

• Абрис при тахеометрической и лазерно-сканирующей съёмках целесообразно вести с помощью цифрового фотоаппарата, что значительно увеличивает его информативность и повышает эффективность интерпретации результатов съёмки при составлении топографических планов.

• Рассмотрены основы лазерно-сканирующей съемки: создание рабочего планово-высотного обоснования, выбор углового шага сканирования, выбор места установки станции, выполнение измерений. Выявлено, что на погрешность регистрации сканов в единой системе координат оказывает существенное влияние форма расположения марок внешнего ориентирования относительно лазерного сканера (подробно во 2-ом научном положении).

Работы по созданию топографического плана г. Хеврон уже начаты, и автор принимал участие в проектировании и выполнении полевых и камеральных работ при топографической съемке.

2. На точность лазерно-сканирующей съемки существенно влияют геометрические параметры расположения марок внешнего ориентирования: их расстояние до лазерного сканера, превышение, горизонтальный угол между направлениями на смежные марки. Причём погрешности ориентирования сканов зависят от названных параметров экспоненциально.

Имеющийся на кафедре опыт лазерно-сканирующей съёмки карьеров, гидротехнических тоннелей, тоннелей метрополитена, зданий городской застройки показал, что на точность внешнего ори-

ентирования, связанной с погрешностью определения положения сканера во внешней системе координат, существенным образом сказывается превышение между марками внешнего ориентирования, расстояние от марок до лазерного сканера, форма расположения марок относительно сканера (горизонтальный угол между марками относительно сканера). В связи с этим были проведены исследования по оценке влияния пространственного положения марок внешнего ориентирования относительно лазерного сканера на точность определения его положения во внешней системе координат. Исследования проводились на основе моделирования измерительных процессов по определению местоположения лазерного сканера. Расположение сканера и марок внешнего ориентирования моделировалось в программной среде AutoCAD, в которой создавались различные модели взаимного расположения сканера и марок. С этих моделей брались исходные данные, используемые для расчётов погрешности определения положения лазерного сканера. В качестве математической модели определения положения лазерного сканера в пространственной прямоугольной системе координат (X0l, Y0„ Z0() была взята пространственная линейная засечка, согласно которой положение сканера можно определить по трём наклонным дальностям {LI, L2, L3), измеренным соответственно с трёх исходных пунктов - марок внешнего ориентирования. Последовательность вычислений производилась по алгоритму предложенному В.А. Падве. Было создано 118 моделей, по которым была произведена обработка результатов такого моделирования в программной среде MathCAD.

Погрешности определения координат лазерного сканера X0il Yob Zo> в i-ой модели определялись как средние квадратические погрешности функций алгоритма Падве определения этих координат, выраженных через средние погрешности измеренных наклонных расстояний.

Результаты обработки моделей, у которых соседние марки со сканером составляли горизонтальный угол 120° и располагались на расстоянии 5 м от лазерного сканера, представлены на графике (рис. 1). Из приведённого графика следует, что при превышении между марками ъ = 0.0 м погрешность определения высотного положения лазерного сканера (Mz50 достигает значительных величин, порядка 3.3 м (см. табл. 1). При установке марок с превышением

между ними Z( = 0.1 м эта погрешность уменьшается на порядок -0.19 м (рис. 1 и табл. 1). При превышении между марками % = 2.0 м и более погрешность Mz5j переходит в миллиметровый диапазон погрешностей, и при Zj = 8.0 м Mz5; = 0.003 м или 3 мм.

0.2 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 Mz5| 0.1 •**0.09 00S 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 -

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 4.4 4.8 5.2 5.6 6 6.4 6.8 7.2 7.6 8

Рис. 1. Укрупнённый фрагмент графика зависимости погрешности определения высотного положения лазерного сканера (Mz5;) от превышения между марками внешнего ориентирования (zj) для диапазона погрешностей (НО.2 м и превышений 0+8.0 м

При этом погрешность определения положения лазерного сканера в плане (Мху5 при расстоянии до марок 5 м), несмотря на изменение превышений между марками, практически оставалась постоянной и составила 3.3 мм. Независимость плановой погрешности от изменения превышений между марками (Мху = const) и равной 3.0-3.5 мм при горизонтальном угле 120° была получена на всех моделях с другими расстояниями до марок (например, график Мху30_120 для расстояния до марок 30 м на рис.2).

В таблице 1 приведена часть результатов определения погрешности высотного положения лазерного сканера для различных расстояний до него марок внешнего ориентирования и превышений между ними (данные по 40 из 118 моделей).

Прехишениа лсаду таседннии марками янеитвго ориектирзвакня, ^

№ в 15? в 8 §■ ш О. К и 0Л 0.1 ОЛ 05 1Л зл £Л 20Ю

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10

1. 15 0257 0052 0017 ООН 0005 0003 0002 ооое

1. ЗЛ 1206 0.102 0035 0021 ОЛЮ 0004 0003 0002

3. 5Л 3330 0.187 0053 0.035 0017 0006 ОСИ ооое

4. 15.0 18.28 0645 0.174 0.105 0052 0017 0010 ооаз

5. ЗОЮ 33.23 1.794 0374 0211 0.104 0035 0021 0006

Мху

0.17

Мху30_120

МхуЗО 10 ООО ~

0.15 0.14 0.12 0.1 0.085

I

0.068 0.051 0.034 0.017

о 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Рис. 2. Зависимость погрешности определения положения лазерного сканера в плане от превышений между марками внешнего ориентирования при горизонтальном угле между ними и сканером 120° (Мху30_120) и 10° (Мху30_10) при дистанции между марками и сканером 30 м

Как видно из таблицы 1 рассмотренная выше закономерность уменьшения погрешности Mz5¡ с увеличением превышения между марками внешнего ориентирования проявилась и при других дистанциях между этими марками и лазерным сканером. Кроме того, из таблицы следует, что с увеличением расстояния от сканера до марок внешнего ориентирования увеличивается погрешность определения высотного положения лазерного сканера. Так, если для дистанции 1.5 м от марок до сканера и превышении между марками 1.0 м погрешность высотного положения лазерного сканера составляет 0.006 м, то для этого же превышения, но дистанции 30 м эта погрешность уже составляет 0.104 м (см. таблицу 1).

На погрешность определения пространственного положения лазерного сканера в принятой на снимаемом объекте системе координат оказывает также влияние горизонтальный угол между марками внешнего ориентирования и лазерным сканером. Исследования показали, что зависимость погрешности определения высотного положения лазерного сканера от превышения при горизонтальных углах между сканером и марками 10° имеет тот же вид, что рассмотренная выше для горизонтального угла 120° (рис. 1 и табл. 1). Наибольшее влияние величина горизонтального угла между марками и сканером оказывает на погрешность определения положения лазерного сканера в плане (по X и Y). Если плановая погрешность при углах между марками и сканером 120° и расстоянием от сканера до марок 30 м (Мху30_120 на рис. 2) с изменением превышений остаётся постоянной и составляет 3.3 мм, то плановая погрешность при горизонтальном угле между марками и сканером 10° и расстоянием от сканера до марок 30 м (Мху30_10 на рис. 2) при превышении 0.0 м составляет величину 161 мм, которая уже при превышении между марками 0.1 м уменьшается на порядок (до 8.3 мм) и становится постоянной, несмотря на увеличение превышения между марками внешнего ориентирования. При этом на постоянных участках графиков Мху30_10 в 2.5 раза больше Мху30_120. Порядок величин плановых погрешностей Мху30_10 и Мху30_120 получен для точностных характеристик лазерного сканера IMAGER 5006. Для менее точного лазерного сканера Ríegl Z420i для постоянных участков этих графиков (рис.2) Мху30_120 = 0.016 м, а МхуЗО_Ю = 0.041м, то есть более ощутимо влияние горизонтально-

го угла между марками внешнего ориентирования и лазерным сканером.

Таким образом, на погрешность определения пространственного положения лазерного сканера (Хо, У0, 7^) оказывает существенное влияние превышение между марками внешнего ориентирования, расстояние между ними и лазерным сканером, горизонтальный угол, образованный между марками и лазерным сканером в его вершине. Использование выявленных закономерностей позволит повысить точность и достоверность лазерно-сканирующей съёмки. Кроме того, полученные закономерности формирования погрешностей можно использовать в работах по созданию основных и съёмочных планово-высотных сетей методами линейной засечки.

3. Для оценки точности линейной засечки целесообразно использовать полученный на основе специальной функции формы алгоритм расчёта в виде разработанного программного модуля.

В общем случае, для сети трилатерации в форме центральной системы (см. рис.3), при измерении п (г = 1, 2, ..., и) расстояний для нахождения плановых координат N (] = 1, 2, ..., АО определяемых точек при условии (» > 2Ы) система уравнений поправок <5ху, ёу) к приближенным значениям координат определяемых точек в

матричной форме имеет вид:

РХ + Ь=У, (1)

матрица коэффициентов поправок; Х- матрица поправок к приближённым значениям координат; Ь - матрица свободных членов; V- матрица поправок к измеренным расстояниям.

Выполним уравнивание под условием: = V7РУ= тт.

Найдем систему нормальных уравнений, соответствующую системе уравнений поправок (1):

Рт РР'Х-РТ РЬ = 0 (2)

Решив систему уравнений (2) относительно искомых поправок, получим:

Х=-<2'РТРЬ, (3)

где <2 = РР)А - матрица весовых коэффициентов. Откуда определяется V = РХ + Ь и уравненные значения координат определяемых точек х^ Используя элементы весовой матрицы и матрицы уравнивания, определяют среднюю квадратическую ошибку единицы веса (и), координат (тх„ ту1), планового положения точки /' (М, = Лот^ + ) и элементы эллипса ошибок.

1,2,3 - определяемые точки 4, 5, 6 - исходные пункты; Я - исходный базис.

Алгоритм уравнивания и оценки точности трилатерации реализован в программном продукте В9й>. Автоматизация уравнивания и оценка точности нивелирной сети реализовано в программном продукте В7й> на основе изложенного алгоритма, адаптированного к нивелирной сети.

Приближенные координаты определяемых точек вычисляются путем решения линейной засечки. Предложен алгоритм решения линейной засечки путем преобразований по известной теореме Падве на примере треугольников сети на рис.3.

Оценка точности положения определяемой точки одним числом, значением средней квадратической ошибки М, предложенная известным немецким геодезистом В. Иорданом и являющаяся наиболее простой, имеет в настоящее время широкое распространение. Следует отметить, что именно такая форма оценки точности положения точки на плоскости предусмотрена практически всеми действующими нормативными документами. Поэтому оценка точности положения точки одним числом рассматривается не как упрощенная, а как самостоятельная. Разработан альтернативный алгоритм оценки точности, в основе которого лежит учёт геометрических параметров сети путём введения специальной функции формы. Предложенный алгоритм реализован в программном продукте В68Ь.

Программы B9fb, B7fb, B68b составлены на языке Бейсик (GW-Basic) с Инструкциями пользователя, которые содержат:

- описание программы;

- руководство оператора;

- контрольные примеры с образцами распечаток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи по разработке технологии создания плана г. Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Для повышения оперативности и достоверности составления цифрового плана обоснован комплексный подход по совершенствованию топографической съемки, заключающийся в параллельном использовании для решения топографо-геодезических задач тахеометрического метода и лазерно-сканирующих технологий съемки, для каждого из которых определены условия применения и технические требования. В частности, ведение абриса в цифровом виде.

2. Установлена и обоснованна зависимость погрешности определения положения лазерного сканера, и, следовательно, погрешности регистрации сканов, от горизонтального угла между марками внешнего ориентирования и лазерным сканером, величины превышения между марками внешнего ориентирования и расстояния от них до места установки лазерного сканера. Выявленная зависимость

погрешности положения лазерного сканера от указанных факторов позволяет планировать лазерно-сканирующую съемку с минимальными ошибками регистрации сканов, оптимизировав расположение марок внешнего ориентирования относительно лазерного сканера.

3. Разработан альтернативный алгоритм оценки точности, в основе которого лежит учёт геометрических параметров сети путём введения специальной функции формы.

4. Разработаны оригинальные программные модули, автоматизирующие процедуры решения линейной засечки при развитии сетей трилатерации, уравнивания и оценки её точности. Эти программные модули доведены до практического их использования при создании сети трилатерации.

5. Разработана технологическая схема геодезического обеспечения канализационных сетей трубопроводов, подземных коммуникационных сетей с организацией этих данных в информационную систему на базе цифрового топографического плана, которая включает:

- хранение данных (информация о пространственном положении объектов трубопроводов, картографические материалы, необходимые для геодезического обеспечения и др.);

- создания исполнительных чертежей трасс коммуникации;

- создания топографического плана города с нанесением на него существующей и проектируемой канализационной сети.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шахин А.Ф. Создание топографического плана г. Хеврон с целью проектирования единой канализационной сети города.// Труды Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инженерной геодезии» - СПБ.: ПГУПС, 2010.-С.186-189.

2. Шахин А.Ф. Решение и оценка точности линейной засечки на плоскости и в пространстве / В.Н. Баландин, И.В. Меньшиков, А.Ф. Шахин // Научно- практическая конференция «Безопасность движения поездов».- М.: МИИТ, 2009,-С. 19.

3. Шахин А.Ф. Решение и оценка точности линейной засечки на плоскости / В.Н. Баландин, И.В. Меньшиков, А.Ф. Шахин И Геодезия и картография. - 2011. -№4. -С. 19-22.

4. Шахин А.Ф. Математическое обеспечение автоматизации решения линейной засечки и уравнивания сети трилатерации // Записки Горного института. -2011. Т 189.-С. 256-259.

5. Шахин А.Ф. Оценка точности линейной засечки на плоскости / А.Ф. Шахин, В.Н. Гусев. //Маркшейдерский вестник. -2011.-№3. С. 27-29.

6. Шахин А.Ф. Автоматизация процедур уравнивания и оценки точности сети трилатерации / А.Ф. Шахин, В.Н. Гусев // Материалы Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела». - Екатеринбург: Труды Уральского государственного горного университета, 2011,- С.60-65.

7. Шахин А.Ф. Применение лазерно-сканирующих систем при крупномасштабной топографической съемке в городских условиях / В.Н. Гусев, А.Ф. Шахин, В.К. Носов // Маркшейдерский вестник. - 2011 .-№ 4. С. 32-35.

8. Шахин А.Ф. О влиянии местоположения марок внешнего ориентирования на точность лазерно-сканирующей съемки / Гусев В.Н., Носов В.К., Выстрчил М.Г., Васильев М.Ю., А.Ф. Шахин // Маркшейдерский вестник. - 2011.- № 5. С. 28 - 32.

РИЦ СПГГУ. 07.12.2011. 3.697 Т.ЮОзкз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шахин Али Фуад Мохамед, Санкт-Петербург

61 12-5/1263

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет

На правах рукописи Шахин Али Фуад Мохамед

Разработка технологии создания плана г.Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города

Специальность 25.00.32-Геодезия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, доцент

Гусев Владимир Николаевич

Санкт - Петербург 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Характеристика объекта работ...............................................................9

1.1. Физико-географическое описание района работ.............................................9

1.2. Топографо-геодезическая изученность...........................................................13

ГЛАВА 2. Разработка технологии создания плана города..................................18

2.1. Технологическая схема топографической съемки.........................................18

2.2. Выполнение и обработка результатов полевых работ....................................19

2.2.1. Закладка пунктов планово-высотной опорной сети....................................19

2.2.2. Создание плановой опорной сети..................................................................20

2.2.3. Электронные тахеометры...............................................................................20

2.3. Линейные измерения..........................................................................................23

2.3.1. Решение линейной засечки............................................................................24

2.3.2. Оценка точности линейной засечки...............................................................30

2.3.3. Уравнивание сети трилатерации.....................................................................36

2.3.4. Апостериорная оценка точности сети трилатерации...................................38

2.4. Создание высотной опорной сети.....................................................................41

2.4.1. Технические средства для выполнения нивелирования...............................42

2.4.2. Выполнение нивелирования...........................................................................44

2.4.3. Уравнивание и оценка точности нивелирной сети........................................45

2.5. Выполнение топографической съемки тахеометрическим методом.............50

2.5.1. Создание плановой- высотной съемочной сети...........................................50

2.5.2. Технология тахеометрической съемки в автоматизированном режиме.....51

ГЛАВА 3. Применение лазерно-сканирующей технологии при создании цифровой топоосновы города....................................................................................54

3.1. Основы лазерно-сканирующей съемки.............................................................54

3.1.1. Принцип действия наземного лазерного сканера.........................................54

3.1.2. Технические данные наземной лазерной аппаратуры.................................57

3.2. Комбинированная тахеометрическо-лазерная съемка.....................................62

3.2.1. Технологическая схема комбинированной топографической съемки.......62

3.2.2. Лазерно-сканирующая съемка.......................................................................63

3.2.3. Камеральная обработка результатов измерений..........................................67

3.2.4. Создание цифрового топографического плана города Хеврон..................69

3.2.5. О влиянии местоположения марок внешнего ориентирования на точность

лазерно-сканирующей съёмки.................................................................................69

ГЛАВА 4. Методические основы проектирования единой сети канализации города.........................................................................................................................80

4.1. Магистральные трубопроводы.........................................................................80

4.1.1. Общие сведения о канализационных сетях..................................................80

4.1.2. Геодезическое обеспечение создание магистральных канализационных сетей............................................................................................................................81

4.2. Технические средства для поиска и съемки подземных коммуникаций............................................................................................................82

4.2.1. Рекогносцировка подземных коммуникаций...............................................84

4.2.2. Геодезическое позиционирование магистральных трубопроводов подземных коммуникаций.......................................................................................84

4.3. Поиск подземных коммуникаций.....................................................................85

4.3.1. Съемка подземных коммуникаций................................................................87

4.3.2. Камеральная обработка...................................................................................91

ГЛАВА 5. Практическое использование результатов диссертационных исследований..............................................................................................................95

5.1. Реализация предложенных алгоритмов в программных продуктах..............95

5.2. Использование разработок при производстве геодезических работ.............96

5.3. Результаты экспериментальных исследований...............................................97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................105

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В городе Хеврон (Палестина) к настоящему моменту существует достаточно разветвленная канализационная сеть. Однако в связи с интенсивным его строительством имеется потребность проектирования и создания единой канализационной сети. Существующий план города морально устарел и не отвечает современным техническим требованиям проектирования на его основе такого сложного инженерного сооружения как единая канализационная сеть большого города. В этой связи чрезвычайно актуальным является выполнение полевых и камеральных работ по современным технологиям с целью создания крупномасштабного цифрового топографического плана города, который необходим для эффективного решения, как задачи проектирования канализационной сети, так и многих других инженерных задач.

В данной работе затронуты вопросы, касающиеся методов и методик выполнения полевых и камеральных работ, уравнивания и оценки точности геодезических измерений, которым посвящены работы известных учёных С.А. Коробкова, В.А. Коугия, Г.В. Макарова, A.C. Ярмоленко, М.Я. Брыня, В.Н. Баландина, В.Н. Ганьшина, И.П. Иваницкого. Кроме того, проведённые исследования выполнялись с учётом работ A.B. Комиссарова, Е.М. Медведева, А.И. Науменко, А. В. Середовича - известных учёных в области применения лазерно-сканирующих технологий для геодезических съёмок.

Цель работы. Разработка технологии создания крупномасштабного плана г. Хеврон с целью проектирования единой сети канализации города.

Идея работы заключается в обосновании технологической схемы создания цифрового топографического плана города на основе выполнения комбинированной тахеометрической и лазерно-сканирующей съемки.

Задачи исследования: 1. Изучить среду, условия и специфику производства топографо-геодезических работ.

2. Проанализировать вопросы, связанные с техническими нормативами создания планово-высотного обоснования.

3. Выбрать картографическую проекцию, методы и технические средства выполнения крупномасштабной топографической съемки.

4. Изучить влияния на точность и достоверность лазерно-сканирующей съемки местоположения марок внешнего ориентирования относительно прибора.

5. Выбрать алгоритмы и разработать на их основе программные модули для автоматизации решения линейной засечки, процедур уравнивания и оценки точности.

Методы исследования:

1) аналитико-математический метод оценки погрешности создания съемочного обоснования;

2) анализ данных геодезических изысканий, проводимых на объекте съёмки;

3) моделирование измерительных процессов ориентирования сканов по маркам внешнего ориентирования;

4) методы математической статистики для оценки результатов моделирования, и погрешностей съемочного обоснования.

Защищаемые научные положения

1. В условиях ограничений применения спутниковых методов, основные принципы технологии создания цифрового крупномасштабного плана г. Хеврон базируются на комплексном сочетании методов тахеометрической съемки и лазерного сканирования, исходя из максимальной адаптации к условиям съемки.

2. На точность лазерно-сканирующей съемки существенно влияют геометрические параметры расположения марок внешнего ориентирования: их расстояние до лазерного сканера, превышение, горизонтальный угол между направлениями на смежные марки. Причём погрешности ориентирования сканов зависят от названных параметров экспоненциально.

3. Для оценки точности линейной засечки целесообразно использовать полученный на основе специальной функции формы алгоритм расчёта в виде разработанного программного модуля.

Научная новизна выполненной работы:

1. Для повышения оперативности составления и достоверности цифрового плана обоснован комплексный подход по совершенствованию топографической съемки, заключающийся в комбинированном использовании тахеометрического метода и лазерно-сканирующих технологий, для каждого из которых определены условия применения и технические требования. В частности, ведение абриса в цифровом виде.

2. Установлено, что для горизонтальных углов между направлениями на смежные марки 60-И 20°, чем больше превышение между этими марками, тем меньше погрешность определения высотного положения сканера при неизменном значении погрешности положения в плане. Для горизонтальных углов между направлениями на смежные марки 5-ь 20° выявлено, что чем больше превышение между марками, тем меньше погрешности определения положения сканера по высоте и в плане. Установлено, что чем больше расстояние между марками и сканером, тем больше высотная и плановая погрешности определения положения сканера. Выявленные закономерности носят экспоненциальный характер.

3. Разработан альтернативный алгоритм оценки точности положения точки одним числом с автоматизацией этой процедуры в среде специально разработанного программного модуля.

Достоверность результатов исследований

Подтверждается большим числом экспериментальных данных по моделированию процедур и процессов геодезических измерений, работоспособностью по результатам тестирования разработанных программных модулей по обработке геодезических измерений,

положительными результатами использования полученных выводов и рекомендаций в съёмочных работах лазерно-сканирующими системами. Практическое значение диссертации:

- разработанная технология позволяет повысить точность и надежность создания цифрового крупномасштабного топографического плана города;

- предложены рекомендации по оптимизации схем расположения марок внешнего ориентирования, повышающие точность процедуры регистрации сканов в единой системе координат;

- разработанные программные модули, автоматизирующие процедуры решения, уравнивания и оценки точности линейной засечки адаптированы для данных условий и доведены до практического их использования при создании сети трилатерации;

- даны рекомендации по съемке и выносу проекта на участок строительства подземных коммуникаций.

Реализация результатов работы: Результаты диссертационной работы рекомендованы для выполнения съёмочных и камеральных работ при создании цифрового крупномасштабного топографического плана г. Хеврон и проектировании на этой основе единой канализационной сети.

Элементы теоретических и методических разработок диссертации внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном горном университете для студентов геодезических и маркшейдерских специальностей.

Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы инженерной геодезии» (г. Санкт-Петербург, 2009г.), Международной конференции «Проблемы безопасности на железно-дорожном транспорте» (г. Москва, 2009г.), на научном семинаре «Актуальные проблемы применения современных средств получения и обработки геопространственных данных при решении геодезических, маркшейдерских и кадастровых задач» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), международной научно-практической конференции

«Состояние и перспективы развития маркшейдерского дела» (г. Екатеринбург, 2010 г.)

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 публикациях, и з них 5 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый ВАК Минобрнауки России

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (109 литературных источника), изложенных на 116 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц, 33 рисунка.

Во введении обосновывается актуальность диссертации, определены цель и задачи исследования, приводятся защищаемые научные положения, изложены научная новизна и практическое значение работы.

В первой главе дается характеристика объекта работ: физико географическое описание района работ, топографо-геодезическая изученность.

Вторая глава посвящена разработке технологии проектирования и выполнения полевых работ с целью создания крупномасштабного топографического плана города.

В третьей главе разработана лазерно-сканирующая технология при создании цифровой топоосновы города.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов проектирования единой сети канализации города на основе созданного крупномасштабного топографического плана.

В пятой главе представлена информация о практическом использовании результатов диссертационных исследований.

ГЛАВА 1. Характеристика объекта работ

Город Хеврон (см.рис.1.1) находится в Палестине, которая расположена между 34° 15' и 35° 40' восточной долготы и 29° 30' и 33° 15' северной широты. Поэтому представляется целесообразным привести, прежде всего, краткое физико-географическое описание региона работ, т.е. Палестины которая расположена в западной части азиатского материка.

1.1.Физико-географическое описание района работ.

Палестина граничит с Египтом, Сирией, Ливаном и Иорданией. Граница с Египтом была установлена в 1906 г. с Сирией и Ливаном в 1920 г. а с Иорданией в 1922 г. Однако, вместе с тем Палестина с 1948 г. входит в состав Израиля в качестве автономии. Протяжённость границ Палестины по суше составляет 720 км, а по Средиземному морю 250 км, что делает ее морской державой, несмотря на то, что протяжённость границ по суше преобладает. Площадь Палестины составляет 27 тыс. км2.

Для Палестины характерна простота рельефа и геологической структуры, которая состоит из различных горных пород: базальта, гранита, наносов и др. Рельеф варьируется от впадин, расположенных ниже уровня моря и равнин, которые лишь немного возвышаются над уровнем моря до средних и высоких холмов и гор. Можно выделить следующие рельефные зоны:

• прибрежные равнины;

• Иорданскую низменность;

• горные хребты Аль-Кудса и Эль-Халиль;

• горы Джалиля и Самира.

Город Хеврон (см.рис. 1.2) является административным центром Палестинской автономии на западном берегу р. Иордан. Территория города 1,06 тыс.км2 с населением 542,6 тыс. человек согласно переписи 2006 г.[95].

» » i

ч эсстоку о? ринзи^а I £r ,

Q. О

U) О

лг

tu

Херцл^о

Петах-Г| ТЕЛЬ-АВИВ/

«у

Хаи-Юми) Р

Ашдо.

Ашнею// у^,-дЯ/Л

ГзэаАХ"4-"-^

/." -Смеро- v

vf -,

M

I Л

Эс-Салът ^ ^ S

LH XZV « кщАмьЛ -

=аша ¿3í»ro«p* Г Шун^ К.Сшб

M / S \ij

/^r/4 ж W'1 \ \

\ Г

\ Jк

i- • \\ "х -i

—V

Г J

i Л CP И П

ч> ' ■ »

a* i

/ , - "V, I W у

/ЭтТафи*а1 (А6)Р ¡ХЖ

! /è / 5 / .

I ' -, г. V ' 'Л ¡l' —р/Ч а>рэийлияс Л/ in ,,

o«4asc¿,-A. S ,, •'-ТГ^-"УОФ-ЭЙ-

''--•]'/ \ Л //е-ДзраежЫ

' ^ - -V- J ¡I 1

: л, \ Эш-LL'a vÉon • // i ■i 5 , I i

---1Т7Я 1LJ^"*^/

! ^

^ //. /ой

bac'as / VW ;___

ЗГ

Рис.1.1. Карта Палестины

Рис. 1.2. Город Хеврон Город расположен в 30 км южнее Иерусалима на хребте Эль-Халиль. Средняя высота Хеврона над уровнем моря 930 м с амплитудой от 800 м до 1000 м. Горы Эль-Халиль представляют собой высокое Плоскогорье. Эти горы протягиваются на юг от города Хеврон до города Накаба. Характерным для этих гор являются обширные скалистые неплодородные районы. Как правило, эти районы засушливые и их называют «пустыней кудс» - голая бесплодная земля.

На климат Палестины влияют три аспекта: во-первых, по стране с севера на юг протягивается цепь гор, граничащих с прибрежными долинами. Во-вторых, на юге и юго-западе дуют западные ветры, которые приносят зимой осадки. Кроме того, в тех же областях начинается большая пустыня Синай, которая тянется вплоть до Египта и Северной Африки. В-третьих, Палестина на востоке граничит с Сирийской пустыней. Ветры, дующие с востока и севера-

востока, называются в общей форме восточными ветрами. Вместе с тем данные ветры имеют много местных различных наименований. Эти ветры сухие, они не несут осадков и влагу. Но при этом они имеют способность поглощать влагу, а затем увеличивать испарения в летний сезон. Палестина расположена в таком климатическом поясе, который именуется как средиземноморский климат. Это значит, что зимой здесь начинается сезон дождей, а летом усиливается засуха. Ветры, приносящие в Палестину осадки со стороны Средиземного моря, приходят с юго-запада. Ветры, приносящие осадки на север Палестины, проходят больше морских пространств, чем ветряные потоки, циркулирующие на юг страны. Следовательно, они обладают большей влаг�