автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра



На правах рукописи

Чу

^ ЮСЬКЕВИЧ Александр Владимирович

\

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ ТОПООСНОВЫ ГОРОДСКОГО

КАДАСТРА

Специальность 05.24.01 - Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в государственном предприятии «Аэрогеодезия» Федеральной службы геодезии и картографии России.

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор В.И.Павлов Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор В.ДЛисицкий кандидат технических наук доцент Г.И.Курошев

Ведущее предприятие: Государственный производственный центр «Севзапгеоинформ»

Защита диссертации состоится (¿еУс-а-сТрЛ. 1997 г.

в /5*" ч Зо мин на заседании диссертационного совета Д.063.15.10 в Санкт-Петербургском государственном горном институте по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26,21-я линия, д.2, ауд. 3203.

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

Автореферат разослан

"А

1997 г.

ученый секретарь

диссертационного совета доцент

ю.н.корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. За последние годы благодаря широкому внедрению в производство персональных компьютеров и новых прогрессивных средств и методов измерений появилась возможность коренного изменения традиционной технологической схемы создания топографической основы. За рубежом и в нашей стране создаются автоматизированные системы картографирования, использующие современные технические средства и высокоэффективные технологии.

В настоящее время все шире используется метод цифрового картографирования местности, позволяющий получать не один документ (топографический план, карта или топооснова), а целый ряд материалов различного назначения, содержания и формы. Такой подход обеспечивает потребности различных отраслей, в том числе потребности городского кадастра, предъявляющего наиболее высокие требования к топооснове по точности, надежности, степени автоматизации и оперативности ее создания. Одновременно с цифровым методом картографирования местности развиваются разработанные на его основе геоинформационные системы (ГИС), в среде которых возможно создание топографической основы.

Поэтому актуальной является проблема разработки технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра, основанной на применении современных технических средств и высокоэффективных технологий с использованием ГИС, дающей доступ к ее программному обеспечению, что позволяет осуществлять совершенствование и преобразование ГИС применительно к разработанной технологической схеме.

Цель работы. Разработка технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра.

Идея работы заключается в коренном изменении традиционной технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра путем внедрения в производство технологии, базирующейся на использовании современных наиболее перспективных средств и методов (аэрофотографической съемки, спутникового метода привязки снимков, ГИС-технологии).

Задачи исследований: 1. Разработка технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра, обеспечивающей необходимую точность, оперативность и экономическую эффективность ее применения,

ориентированной на использование единой, открытой для пользователя ГИС.

2. Разработка соответствующих алгоритмов и программ, необходимых для реализации предложенной технологической схемы в среде выбранной ГИС.

3. Разработка необходимых нормативно-технических документов по созданию и многоцелевому использованию цифровой топоосновы городского кадастра.

Методы исследований. При выполнении работы использовался комплекс методов, включающий обобщение и анализ ранее проведенных теоретических исследований и производственного опыта, а также численные эксперименты на персональной ЭВМ (ПЭВМ) с применением теории математической обработки топографо-геодезических и фотограмметрических измерений.

Защищаемые научные положения:

1. Основные принципы технологии создания в среде ГИС CRISP цифровой топоосновы городского кадастра, включающей весь цикл необходимых полевых и камеральных работ с использованием современных средств и методов и предназначенной для крупных специализированных аэрогеодезических предприятий.

2. Усовершенствованная методика выполнения аэрофотосъемки при использовании разработанного в ГП «Аэрогеодезия» аэрофотоаппарата и спутникового метода привязки снимков с построением цифровой модели местности на аналитическом фотограмметрическом приборе (АФП) «Стереоанаграф» в среде ГИС «Сигма».

3. Алгоритм преобразования координат из системы эллипсоида Красовского в систему эллипсоида WGS-84 и обратно при удалении от осевого меридиана до ± 60°, используемый при обработке результатов спутниковых определений.

Достоверность научных результатов обеспечивается системным характером исследований, хорошей сопоставимостью теоретических разработок с итогами их опытно-экспериментальной проверки, положительным опытом использования предложенных разработок в производстве.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

1. Разработаны основные принципы технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра, включающей весь цикл необходимых полевых и камеральных работ, основанных на использовании современных технических средств и высокоэффективных методов и предназначенной для использования крупными аэрогеодезическими предприятиями.

2. Предложен алгоритм преобразования координат из системы одного эллипсоида к другому при удалениях от осевого меридиана до ± 60°, используемый при обработке результатов спутниковых определений.

3. Усовершенствована в рамках предложенной технологии методика создания цифровой топоосновы городского кадастра в среде ГИС CRISP.

Практическое значение диссертации заключается в:

- реализации предложенных алгоритмов в виде программ для ПЭВМ;

- повышении уровня автоматизации работ по созданию цифровой топоосновы городского кадастра;

- повышении точности и надежности создания топоосновы;

- снижении затрат, средств и времени на выполнение работ;

- в разработке следующих нормативно-технических документов: «Практическое руководство по выполнению аэрофотосъемки с использованием АФА ТК-21/23 и GPS-метода» [4], «Практическое руководство по выполнению GPS-метода привязки снимков» [5], «Временное руководство пользователя АФП «Стереоанаграф» при создании цифровой топоосновы городского кадастра» [1], «Временное руководство пользователя ГИС «Сигма» при создании цифровой топоосновы городского кадастра» [2], «Руководство по применению ГИС CRJSP для создания ЦМ земельного кадастра» [6];

- широком внедрении результатов исследований в производство;

- разработке технических материалов и рекомендаций по созданию и многоцелевому использованию цифровой топоосновы городского кадастра;

- возможности использования разработанной технологии в учебном процессе по специальности «Городской кадастр».

Реализация результатов работы.

Результаты исследований реализованы при создании цифровой

топоосновы городского кадастра в масштабе 1:2000 для городов Северо-

Запада России: Вологда (1996 г.), Петрозаводск, Сосновый Бор, Тосно,

Череповец (начиная с 1997 г.). Основные положения диссертационной

работы использованы при составлении «Руководства по применению ГИС CRISP для создания ЦМ земельного кадастра», «Временного руководства пользователя АФП «Стереоанаграф» при создании цифровой топоосновы городского кадастра», «Временного руководства пользователя ГИС «Сигма» при создании цифровой топоосновы городского кадастра», «Практического руководства по выполнению аэрофотосъемки с использованием АФА ТК-23/21 и GPS-метода», «Практического руководства по выполнению GPS-метода привязки снимков».

Апробация. Результаты исследований докладывались на международном симпозиуме по современным геодезическим измерениям и цифровой технике (Будапешт, август 1989 г.) [9] , на коллегии ГУГК (Москва, ноябрь 1989 г.) и на пяти всесоюзных и региональных конференциях и семинарах, проведенных в ГП «Аэрогеодезия» по тематике «Геоинформационные системы», «Кадастр», «Результаты внедрения новой техники», (Санкт-Петербург, 1991-1997 гг.), совещании главных инженеров Роскартографии (Н.Новгород, 1997 г).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в девяти работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 9 рисунков, список литературы из 130 наименований. Количество приложений - 13.

В первой главе рассматривается состояние вопроса разработки технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра и осуществляется постановка задач исследований.

Во второй главе, являющейся основной в диссертации, осуществляется теоретическая разработка технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра.

В третьей главе рассматриваются результаты опытно-экспериментальной проверки разработанной технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра и приводятся некоторые итоги ее производственного внедрения.

В четвертой главе приводятся результаты разработки рекомендаций по созданию и использованию цифровой топоосновы городского кадастра.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

/. Основные принципы разработки технологии создания в среде ГИС CRISP цифровой топоосновы городского кадастра, включающей весь цикл необходимых полевых и камеральных работ с использованием современных средств и методов и предназначенной для крупных специализированных аэрогеодезических предприятий.

В диссертации рассматриваются общие сведения о кадастрах и некоторые аспекты их ведения, выполняется краткий обзор развития городского кадастра как основы для управления и развития города, дается примерная структура городского кадастра, которая подчеркивает необходимость создания единой топоосновы для ведения всех видов кадастров. Выполнен анализ обеспечения городов Северо-Запада России в зоне топографо-геодезического обеспечения ГП «Аэрогеодезия» съемками масштабов 1:2000 и 1:5000.

Приводятся общие сведения о геоинформационных системах и их использовании для городского кадастра. Рассматриваются широко распространенные зарубежные ГИС: ARC/INFO, MAP/rNFO, Terra-Soft, EPPL7, IDRISI и др., а также отечественные ГИС: «Атлас», АИС ГГК, АСУ ГК.

В 1991 г. фирмой «ALNA» (Литва) была разработана первая версия ГИС CRISP. Дальнейшие версии ГИС, начиная с 3.1 (1994 г.) разрабатываются фирмой «ALNA» совместно с ГП «Аэрогеодезия». ГИС CRJSP предназначена для любых отраслей и сфер деятельности, где необходима работа с картой. При этом система может работать на ПЭВМ даже типа РС-286 и является одной из немногих профессиональных ГИС, действующих на русском языке.

Работа в ГИС CRISP отличается достаточным быстродействием, надежностью, сравнительно недорогой стоимостью. ГИС CRISP использует небольшие ресурсы памяти, позволяет резко увеличить производительность труда, снизить затраты средств и времени. Важной особенностью применения' ГИС CRISP является двухстороннее сотрудничество по контракту ГП «Аэрогеодезия» и фирмы-разработчика «ALNA». Это позволяет оперативно осуществлять любые необходимые преобразования и совершенствования ГИС. На этом основании ГИС CRISP оказалась наиболее приспособленной среди других ГИС к топографо-геодезическому производству Северо-Запада России.

Последние версии ГИС CRISP созданы специально для использования в рамках разработанной технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра. В настоящее время специалисты ГП «Аэрогеодезия» приступили к созданию собственных

дополнительных программных продуктов, действующих в среде ГИС CRISP. ГП «Аэрогеодезия» является официальным дистрибьютором ГИС CRISP в СНГ. К настоящему моменту предприятием реализовано 50 комплектов инсталляций и ключей ГИС CRISP, большая часть из которых распространена в Северо-Западном региона России.

Обоснованный выбор технологической схемы сделан на основе рассмотрения и анализа современных и в то же время перспективных технических средств и прогрессивной высокоэффективной технологии. При этом одновременно с изучением опубликованных зарубежных и отечественных литературных источников автор принял участие в коренном техническом перевооружении ГП «Аэрогеодезия» [7], были произведены опытные работы по испытанию приобретенных средств и разработке методик их использования, выполнены организационные мероприятия по созданию необходимых производственных структур, осуществлены первые опыты внедрения разработанной технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра.

На рис. 1 приводится принципиальная схема предлагаемой технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра. Основные условия реализации разработанной схемы следующие:

- для создания цифровой топоосновы используются материалы аэрофототопографической съемки;

- прокладка аэрофотосъемочных маршрутов и привязка снимков выполняется с помощью GPS-метода (возможен также GPS-метод определения координат центров проектирования в реальном масштабе времени);

- для сгущения планово-высотных сетей используются программы аналитической фототриангуляции;

- создание баз данных осуществляется в среде ГИС CPISP.

В рамках предложенной технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра в ГП «Аэрогеодезия» при непосредственном участии автора выполнена разработка сквозной технологии, начиная от проектирования съемки и кончая сдачей результатов работы заказчику. С этой целью были разработаны соответствующие типовые технические условия (ТУ) в виде ряда нормативно-технических документов, регламентирующих выполнение всех этапов работ по созданию цифровой топоосновы городского кадастра. С учетом теоретических исследований, выполненных в диссертации, созданы следующие основные документы и программы:

Рис. 1. Технологическая схема создания цифровой топоосновы

1. Программа автоматизированного расчета параметров аэрофотосъемки в зависимости от масштаба создаваемой топоосновы, фокусного расстояния и формата кадра АФА, конфигурации, линейных размеров и площади объекта съемки.

2. Практическое руководство по выполнению аэрофотосъемки с использованием АФА ТК-21/23 и ОРБ-метода.

3. Практическое руководство по выполнению ОРБ-метода привязки снимков.

4. Программный комплекс обработки результатов топографо-геодезических измерений (см. табл. 1).

Таблица 1

№ Наименование Краткая характеристика программы

1 Перевычисление геодезических координат в плоские прямоугольные Число точек - неограниченное, точность вычислений 1-3 мм при максимальной разности долгот 60°, одновременно вычисляются масштаб и сближение меридианов

2 Перевычисление плоских прямоугольных координат в геодезические Число точек - неограниченное, точность вычислений 0",00005 - 0",0001 при максимальной разности долгот 60°, одновременно вычисляются масштаб и сближение меридианов

3 Перевычисление координат из одной зоны в другую Число точек - неограниченное, точность вычислений 1-3 мм при максимальной разности долгот 60°, программа предназначена для 6° и 3° зон

4 Преобразование координат с эллипсоида Красовского на эллипсоид \\Ч38-84 и обратно Число пунктов - 340, точность вычислений 1 -3 мм

5 Уравнивание сетей нивелирования Число исходных пунктов - 50, узловых пунктов - 90, ходов - 90, секций в ходе -55, точек в секции - 55, точность вычислений 1-3 мм

6 Уравнивание хода полигонометрии Число точек в ходе - 100, предусмотрено уравнивание ходов с азимутальной, координатной и смешанной привязкой, точность вычислений 1 мм

7 Уравнивание сетей полигонометрии Число исходных пунктов - 20, число узловых пунктов - 30, число ходов - 30, число точек в ходе - 32, точность вычислений 1-3 мм

8 Уравнивание триангуляции Число определяемых пунктов - 42, число измеренных углов - 84, точность вычислений 1 мм

9 Уравнивание трилатерации Число определяемых пунктов - 42, число измеренных расстояний - 84, точность вычислений 1 мм

10 Уравнивание линейно-угловых построений Число определяемых пунктов - 42, число измеренных величин (углов, азимутов, расстояний) - 100, точность вычислений 1 мм

11 Решение обратной геодезической задачи на плоскости Число пунктов - 1000, число направлений на пункте -неограниченное

12 Решение прямой геодезической задачи на эллипсоиде Число пунктов в массиве - 950, точность вычислений 0",00005 - 0",0001 при расстояниях до 20000 м

13 Решение обратной геодезической задачи на эллипсоиде Число пунктов в массиве - 950, точность вычислений 0",00005 - 0",0001 при расстояниях до 20000 м

14 Вычисление площади участка Число точек - 900, точность вычислений 1 мм

5. Библиотека шрифтов.

6. Временное руководство пользователя АФП «Стереоанаграф» при создании цифровой топоосновы городского кадастра.

7. Временное руководство пользователя ГИС «Сигма» при создании цифровой топоосновы городского кадастра.

8. Программа переиндексации и проверки на дублирующиеся объекты файлов формата DIF ГИС CRISP.

9. Программа печати формуляров топографических планов и карт в масштабах от 1:2000 до 1:200000.

10. Руководящий технический материал «Руководство по применению ГИС CRISP для создания ЦМ земельного кадастра» [6].

Все вновь разработанные нормативно-технические документы и программные продукты входят в качестве составляющих элементов в предложенную технологическую схему создания цифровой топоосновы городского кадастра.

Перед практическим использованием разработанной технологии создания цифровой топоосновы городского кадастра осуществлялась детальная опытно-экспериментальная проверка всех ее элементов. Все применяемые в технологической схеме технические средства: аэрофотоаппарат АФА ТК-21/23 (ГП «Аэрогеодезия») и GPS-приемники Geodetic Surveyor 4000 SST (фирма Trimble, США) и WILD System 299 (фирма Leica, Швейцария) прошли лабораторные и полевые испытания, а также метрологическую аттестацию, в результате чего было подтверждено полное соответствие их паспортных и фактических технических характеристик. Испытания АФП «Стереоанаграф», ГИС «Сигма» и CRISP осуществлено в картпроизводстве ГП «Аэрогеодезия». Первоначальная версия ГИС CRISP требовала существенных доработок с целью возможности включения ее в разработанную технологическую схему. Система не была в полной мере ориентирована на создание кондиционной в свете требований Роскартографии топоосновы по полноте, содержанию, точности и обеспечению необходимыми условными знаками, шрифтами и т.д. В процессе опытно-экспериментальных работ выполнена адаптация ГИС CRISP применительно к разработанной технологической схеме. Для производственного использования разработанной технологии в ГП «Аэрогеодезия» предварительно под руководством автора созданы, испытаны и освоены специализированные рабочие места.

Детальной опытно-экспериментальной проверке подвергся разработанный в ГП «Аэрогеодезия» и используемый в технологической схеме создания цифровой топоосновы городского кадастра программный комплекс обработки результатов топографо-геодезических измерений. Необходимо отметить, что этот комплекс обработки результатов топографо-геодезических измерений предназначен для использования как в

составе технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра, так и вне этой схемы для решения отдельных задач топографо-геодезического производства. В период с 1995 г. по настоящее время в целом ряде организаций (в основном Северо-Западного региона РФ) было внедрено более 120 инсталляций программ указанного комплекса. Полученный при этом положительный производственный опыт использования программ подтверждает достоверность выполненных исследований. Следует отметить, что в ГП «Аэрогеодезия» существует большое количество других программных продуктов, объединенных в комплексы обработки обширных геодезических сетей, астрономических наблюдений [3], гравиметрических измерений и др.

Разработанная технология была внедрена в 1996 г. применительно к г. Вологде, одному из крупнейших городов Северо-Запада России [8]. Цифровая модель кадастрового плана города создана по материалам аэрофотосъемки в среде ГИС CRISP. Общая площадь объекта 114 кв. км на 146 листах в масштабе 1:2000. План на всю территорию города в пределах его границ с таким объемом информации, в едином временном отрезке, в единой ГИС, с применением современных средств и методов в рамках разработанной технологической схемы на Северо-Западе России создан впервые.

Аэрофотосъемка Вологды была выполнена силами ГП «Аэрогеодезия» с самолета АН-2. Использован аэрофотоаппарат типа LMK (Германия) с fK=305 мм и форматом кадра 23x23 см. Разработанный в ГП «Аэрогеодезия» АФА ТК-21/23 не применялся, т.к. находился в этот момент на метрологической аттестации. Аэрофотосъемка осуществлена в масштабе 1:5000 с высоты Н«1500 м с продольным перекрытием снимков 60% и поперечным перекрытием маршрутов 40%. Прокладка аэрофотосъемочных маршрутов выполнена с помощью GPS- приемника GePoS RS 12 фирмы « Carl Zeiss GMBX» (Германия), установленного на борту самолета, что позволило оперативно осуществлять точную прокладку маршрутов, определять скорость и высоту полета самолета, расстояния между маршрутами. Плановая привязка 60 опознаков выполнена GPS-методом с помощью приемников Geodetic Surveyor 4000 SST и WILD System 299. Непосредственно в полевых условиях вычислялись геодезические и плоские прямоугольные координаты опознаков в системе координат международного эллипсоида WGS-84, после чего по методике, изложенной в главе 2, выполнялось преобразование координат в систему эллипсоида Красовского. Анализ показал, что точность определения координат опознаков относительно плановых опорных пунктов,

расположенных не далее 10 км от них, составляет 5-10 см. Камеральные работы выполнены в полном соответствии с разработанной технологической схемой. Наколка точек произведена на приборе «Интерпретоскоп» (Германия), сгущение осуществлено аналитическим способом по программе ФОТОБЛОК. В качестве стереофотограмметрического прибора был использован «Стереоанаграф» (ЦНИИГАиК, Россия; ПО «Аэрогеоприбор, Украина), работающий в среде ГИС «Сигма» (ПО «Аэрогеоприбор, Украина). Собранная на АФП «Стереоанаграф» цифровая информация преобразовывалась из ГИС «Сигма» в ГИС ARC/INFO (США) и из ГИС ARC/INFO в ГИС CRISP. В среде ГИС CRISP создано 18 основных слоев (2 точечных, 11 линейных, 4 площадных и 1 текстовый), а также ряд вспомогательных и дополнительных слоев. Вся работа выполнена за один год после завершения аэрофотосъемки. По обычной технологии для этого потребовалось бы не менее 3-4 лет.

В диссертации рассматриваются вопросы совершенствования технологии создания цифровой топоосновы с адаптацией к новейшим отечественным и зарубежным техническим средствам, наиболее прогрессивным технологиям, самым современным программным средствам. Приводятся рекомендации' по производству мониторинга цифровой топоосновы. Даются рекомендации по организации сбора кадастровой информации для создания и мониторинга цифровой топоосновы городского кадастра.

2. Усовершенствованная методика выполнения аэрофотосъемки при использовании разработанного в ГП «Аэрогеодезия» аэрофотоаппарата и спутникового метода привязки снимков с построением цифровой модели местности на АФП «Стереоанаграф» в среде ГИС «Сигма».

Подробно излагаются все вопросы теоретической разработки и практической реализации технологической схемы создания цифровой топоосновы городского кадастра на основе аэрофототопографической съемки. В организационном плане ГП «Аэрогеодезия» обеспечивает проведение аэрофотосъемки следующим путем: самолет арендуется в летно-съемочном отряде ГВФ с экипажем (пилот, механик, борт-радист), а штурман и аэрофотосъемщик придаются из специально созданной в ГП службы аэрофотосъемки и спутниковых определений. Аэрофотосъемочная и GPS-аппаратура также принадлежит ГП и устанавливается на самолете перед выполнением аэрофотосъемки. Такой организационный принцип обеспечивает наиболее высокое качество выполнения аэрофотосъемки и

является наиболее экономичным. В 1995 г. в ГП «Аэрогеодезия», являющимся одним из основных отечественных разработчиков и изготовителей аэрофотоаппаратов, создан АФА ТК-21/23 (fk=210 мм, формат кадра 23x23 см), не уступающий по техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам. Аэрофотоаппарат предназначен для получения высококачественного фотографического изображения местности, используемого специально для создания и обновления цифровых топооснов земельного и городского кадастра, а также для других видов работ, где требуется получение аэрофотоснимков с высокими метрическими и изобразительными свойствами. Аэрофотоаппарат в значительной мере автоматизирован и может работать синхронно с GPS-приемником, устанавливаемом на самолете. С помощью GPS-приемника обеспечивается точная прокладка съемочных маршрутов или определение координат центров проектирования в реальном масштабе времени. Наиболее перспективен второй случай, позволяющий обходиться без производства полевых работ или их минимумом. Методика выполнения аэрофотосъемки с использованием АФА ТК-21/23 и GPS-метода изложена в практическом руководстве.

Привязку опознаков также рекомендуется осуществлять с помощью GPS-метода, первые опыты применения которого в практике работ ГП «Аэрогеодезия» были осуществлены в 1993 г. При этом использовались приемники фирмы «Magellan». Однако, выполненные исследования показали, что эти приемники обеспечивают лишь метровую точность определения координат точек. Поэтому было принято решение об обеспечении ГП GPS-приемниками геодезической точности: Geodetic Surveyor 4000 SST, WILD System 299, Землемер-JI 1 (НИИ п/я, Россия).

При топографо-геодезических работах используется дифференциальный метод измерений, для чего в комплекте GPS-аппаратуры имеется два приемника. Один их них устанавливается на исходном пункте с известными пространственными прямоугольными координатами Хс, Yc, Z0, а другой на пункте, координаты X, Y, Z которого требуется получить. С помощью GPS-измерений определяется наклонное расстояние D между приемниками, установленными на исходном и определяемом пунктах:

D= у1(Х-Х0)2 +{Y- Y0f +(Z-Z0f (1)

При использовании дифференциального метода фазовые приемники обеспечивают сантиметровую и миллиметровую точность измерений D, т.е. такую точность, какая необходима при решении большинства топографо-

геодезических задач. Координаты определяемого пункта находятся из решения пространственной или плоской линейной засечки. В случае избыточности измерений предполагается их уравнивание.

Преимущества GPS-метода привязки опознаков перед традиционными заключается в следующем:

— возможность развития опорных геодезических сетей без построения дорогостоящих наружных знаков;

— возможность проведения полевых измерений практически в любую погоду, в любое время суток, при любых условиях видимости, в том числе, при полном отсутствии видимости между исходными пунктами и опознаками;

— возможность одновременного получения плановых координат и высотных отметок опознаков;

— высокая степень автоматизации как полевых так и камеральных работ;

— экономическая целесообразность (большая производи-тельность труда, меньшие затраты средств и времени).

Рассмотрена методика составления технического и рабочего проекта привязки опознаков применительно к GPS-методу , а также методика выполнения работ.

Порядок выполнения GPS-метода привязки снимков изложен в практическом руководстве [5].

В предлагаемой технологической схеме создания цифровой топоосновы сгущение планово-высотной сети осуществляется на АФП «Стереоанаграф», который предназначен для создания по аэрофотоснимкам составительских оригиналов топографических карт и планов и для получения цифровых моделей местности. В состав прибора входят: стереокомпаратор, координатограф, ПЭВМ типа 486-DX. АФП «Стереоанаграф» работает в среде ГИС «Сигма», разработанной в ПО «Аэрогеоприбор» (Украина). Сгущение планово-высотной сети на АФП «Стереоанаграф» выполняется путем построения пространственной аналитической фототриангуляции.

Среди существующих программ наиболее совершенными являются следующие отечественные программы: ФОТОБЛОК, ФОТОКОМ, TRAP.

Сбор информации для создания цифровой модели местности осуществляется на АФП «Стереоанаграф» в среде ГИС «Сигма». Порядок работы излоден в соответствующих руководствах [1,2]. Следует, однако, отметить что ГИС «Сигма» не позволяет в полной мере обеспечить необходимую точность создания топоосновы. Особенно значительные ошибки возникают на стыках планшетов. Кроме того, ГИС «Сигма»

позволяет оперировать с ограниченным количеством слоев информации (10 слоев). Поэтому данная система используется в основном лишь в качестве информационно-поисковой, а созданная с ее помощью база данных используется в дальнейшем в более совершенной и точной ГИС CRISP.

Учитывая, что из ГИС «Сигма» нельзя непосредственно преобразовать информацию в ГИС CRISP, в качестве промежуточной была выбрана широко распространенная ARC/1NFO. Это сзязано с тем, что ГИС «Сигма» и ГИС CRISP имеют внешний формат ARC/INFO. Поэтому потребовалась разработка методики преобразования информации из ГИС «Сигма» в ГИС ARC/INFO, а из ГИС ARC/INFO в ГИС CRISP. Естественно, такая методика является временной и требует совершенствования. В настоящее время начата разработка методики преобразования информации, собранной в АФП «Стереоанаграф» непосредственно в ГИС CRISP без промежуточных преобразований в ГИС ARC/INFO.

Основным принципом организации баз данных в ГИС CRISP является формирование информации в виде библиотек: систем координат, слоев, условных знаков, шрифтов, фильтров, запросов, таблиц пересмотра, форм вывода и т.д. Часть информации по слоям переписывается из образованной ранее базы данных при работе с АФП «Стереоанаграф» в среде ГИС «Сигма». Другая часть информации формируется в среде ГИС CRISP. В разработанной технологической схеме создания цифровых топооснов (без элементов рельефа) предусмотрено создание 18 основных слоев (табл. 2). При создании каждого слоя задаются следующие параметры: сокращенное имя слоя, полное имя слоя, цвет, топология (точечная, линейная, площадная, спагетти, т.е. смешанная), видимость, приоритет.

Таблица 2

№ Наименовани е слоя Тип слоя № Наименование слоя Тип слоя

1 точки точечный 10 навесы линейный

2 колодцы точечный 11 лин. контуры линейный

3 путепроводы линейный 12 полосы деревьев линейный

4 автодороги линейный 13 другие полосы линейный

5 пути линейный 14 строения площадной

6 шоссе линейный 15 водоемы площадной

7 жел. дороги линейный 16 угодья площадной

8 проезды линейный 17 луга площадной

9 ручьи линейный 18 надписи текстовый

Как известно, одной из стандартных функций любой геоинформационной системы, в частности, ГИС «Сигма» и CRISP является вычисление площади земельного участка, которая считается его важнейшей количественной характеристикой. При этом к точности определения площади участка предъявляются достаточно высокие требования: нижняя граница точности определения координат поворотных точек границы участка в городах - 10 см

Однако для особо ценных земель центральных районов крупных городов необходимая точность определения площади участка составляет ~ 1 м2/га. Для обеспечения такой точности ошибки взаимного положения поворотных точек границы участка должны быть в пределах 1 см. При этом, как показал анализ, определение площади земельного участка в среде ГИС, также как и при использовании большинства отдельных программ, предназначенных для этой цели, осуществляется по упрощенной технологии, без учета необходимой оценки точности. На этом основании проведены исследования с целью разработки методики более строгого учета земель и оценки точности определения площади земельного участка.

Следует различать геодезическую и физическую площади земельного участка. Геодезическая площадь Р участка - это площадь проекции его границ на плоскость проекции Гаусса-Крюгера, определяемая геодезическим путем. Физическая площадь земельного участка Рф - это его реальная площадь с учетом условий местности. При операциях с земельными участками имеется ввиду их физическая площадь, в то время как в документации всегда фиксируется лишь геодезическая площадь. Анализ показывает, что физическая площадь может отличаться от геодезической на 2 - 5 %, что необходимо учитывать при расчетах и оформлении документации.

Получены следующие соотношения, связывающие геодезическую и физическую площади земельного участка:

РФ =

1 + 1 2

ег

R

■Р

РФ =

J

1

где а°- средний угол наклона участка; г - средняя высотная отметка участка; у- средняя ордината участка (удаление от осевого меридиана); Я = 6371 км - средний радиус кривизны Земли.

Эти формулы могут обеспечить достаточную точность только при "спокойном" рельефе участка незначительной протяженности. При сложном рельефе (холмы, овраги, склоны и т.д.) рекомендуется разбивать участок на отдельные элементарные площадки с примерно равными углами наклона, определяя для каждой из них геодезическую площадь и соответствующие значения параметров а°, г, у, после чего по формулам (2) вычислять физическую площадь каждой площадки. Общая физическая площадь земельного участка находится путем суммирования физических площадей отдельных площадок.

Геодезическая площадь земельного участка, т.е. площадь замкнутого контура (многоугольника) на плоскости проекции Гаусса-Крюгера, вычисляется обычно по известной формуле:

1 "

Р = (3)

г /= 1

где 1=1,2 ... п - порядковый номер вершины многоугольника (рис.2).

Формулу (3) удобно использовать, когда координаты вершин многоугольника определяются непосредственно с помощью ОРБ-метода, либо путем проложения по вершинам многоугольника хода полигонометрии (теодолитного хода).

В случае определения координат вершин многоугольника с помощью электронной тахеометрии путем решения полярных засечек (рис. 2) площадь участка можно определить по формуле, использующей результаты непосредственных измерений:

п

рЛ

2

(4)

где 5/ - измеренное расстояние между точкой стояния 0 и точкой визирования /, редуцированное на плоскость проекции Гаусса-Крюгера;

= тм — Г; - угол при точке стояния 0 между направлениями на точки визирования /+/ и /'.

При "спокойном" рельефе, используя измеренные расстояния 5/ (не редуцированные) по формуле (4) получим сразу физическую площадь Рф участка.

Следует отметить, что точка стояния 0 может располагаться в любом месте, как внутри участка, так и вне его пределов.

Рис. 2

Как известно, строгий способ оценки точности площади участка предполагает наличие обратной матрицы нормальных уравнений, полученной при уравнивании совокупности всех выполненных геодезических измерений. Однако, на практике обычно такая матрица отсутствует, либо ее достаточно трудно получить.

Поэтому при независимых определениях координат Х1-, у1 средняя квадратическая ошибка площади вычисляется по формуле:

где в соответствии с (3):

йГ, = г(Ум- У{-\) = -fsina,-§ = - i- ) = —т cos а,-

здесь D, - диагональ, соединяющая точки i-1 и i+1.

}

(5)

(6)

Щ

Подставляя значения (6) в (5) и принимая т — П1 = , где т;

•у 2

средняя квадратическая ошибка положения точки, при

Л7, = тг = Ш1 - т имеем:

т

№

(7)

Однако, более естественно для оценки точности площади земельного участка вместо диагоналей О/ , которые требуется находить по предварительно вычисленным координатам вершин многоугольника, использовать результаты непосредственных геодезических измерений, не прибегая даже к вычислению координат вершин. При применении метода

электронной тахеометрии получена формула, обеспечивающая идентичные с формулой (7) результаты:

тР=т Jt s'sm c°sAr> <*>

L V /=i /=i

где АГу = r/+2 — Zj - угол при точке стояния 0 между направлениями на точки i+2 и /.

3. Алгоритм преобразования координат из системы эллипсоида Красовского в систему эллипсоида WGS-84 и обратно при удалениях от осевого меридиана до ±60°, используемый при обработке результатов спутниковых определений.

Одной из основных проблем использования GPS-метода является преобразование координат из системы эллипсоида Красовского (СК-42) в систему международного эллипсоида (WGS-84) и обратно.

Методика преобразования координат опознаков или центров проектирования из системы СК-42 в систему WGS-84 включает следующие процессы:

— преобразование координат исходных пунктов из местной системы в систему СК-42;

— преобразование плоских прямоугольных координат Л",, yL в геодезические Вх,

— преобразование геодезических координат Вх, Z,, Нх в пространственные Хх, Yx, Zx;

— преобразование пространственных координат Х{, Zx из системы

СК-42 в пространственные координаты Хг, Y2, Z2 системы WGS-84;

— преобразование пространственных координат Хг, Y2, Z2 в геодезические В2 , L^, Н2;

— преобразование геодезических координат В2, L^ в плоские

прямоугольные Х2, у2. Все алгоритмы указанных задач усовершенствованы или разработаны вновь.

Из вновь разработанных алгоритмов наиболее важным представляется преобразование пространственных прямоугольных

координат X, У, г в геодезические В, Ь, Н. Предложен простой и достаточно точный алгоритм:

Z

В- агс%

(1 -г)к

1

VI-2 е2{К/£)2

У

Ь = аг^—

Н= гътВ + ЯсоъВ- а-^Х-е2 бш2 В

(9)

где к=у1х2 + г2, в= + г2 , а, Ъ, е^ - константы эллипсоида.

Алгоритм обеспечивает требуемую точность при 10000| м. При Н<| 1000001 м предлагается более сложный алгоритм, приведенный в диссертации.

Анализ показал, что предложенные алгоритмы и программы обеспечивают точность перевычисления координат в угловой мере в пределах 0",00005 - 0",0001, в линейной мере 1 - 3 мм в пределах всего поля тестовой координатной сетки (по широте В от -90° до 90° через 10°, по долготе /= Ь-Ьа от - 60° до 60° через 3°, величины Ь и Ь0 могут принимать любые значения от - 360° до 360°).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В соответствии с целью и задачами исследований диссертации получены следующие результаты.

1. На основе анализа и обобщения известных технологических схем создания цифровой топоосновы городского кадастра была разработана схема, базирующаяся на результатах аэрофототопографической съемки и предназначенная для использования крупными специализированными государственными аэрогеодезическими предприятиями.

2. В предложенной технологической схеме предусмотрено использование современных средств и методов, в том числе, методика выполнения аэрофотосъемки с применением специально разработанного отечественного автоматизированного аэрофотоаппарата с форматом кадра 23x23 см, прокладка съемочных маршрутов и привязка снимков с помощью спутниковых определений, цифровая фотограмметрия, ГИС-технология создания цифровой модели местности.

J

3. Предложен алгоритм преобразования координат из системы эллипсоида Красовского в систему международного эллипсоида WGS-84 и обратно, при удалениях от осевого меридиана до ±60°, используемый при GPS-определениях.

4. Усовершенствована применительно к разработанной технологии методика построения цифровой модели местности на АФП «Стереоанаграф» с среде ГИС «Сигма».

5. Усовершенствована в рамках предложенной технологической схемы методика создания баз данных на каждый планшет и создания цифровой топоосновы городского кадастра в среде ГИС CRISP.

6. Усовершенствована методика оценки точности определения площади земельного участка.

7. Разработаны рекомендации по созданию, мониторинг)' и многоцелевому использованию цифровой топоосновы городского кадастра.

8. Технология создания цифровой топоосновы городского кадастра теоретически обоснована и сопровождается необходимым числом нормативно-технических документов, регламентирующих ее использование.

9. Предложенные в диссертации алгоритмы реализованы в виде программ для ПЭВМ и внедрены в производство.

10. Разработанная технология создания цифровой топоосновы городского кадастра дает возможность выполнения работ в более сжатые сроки, с более высоким качеством и точностью, а также со значительной экономией труда и средств.

Результаты исследований прошли поэтапную экспериментальную проверку и реализованы при создании топоосновы городского кадастра в масштабе 1:2000 для городов Северо-Запада России: Вологда (1996 г.), Петрозаводск, Сосновый Бор, Тосно, Череповец (начиная с 1997 г.) В перспективе по имеющимся заявкам технология будет использована для большинства городов Северо-Запада РФ.

Разработанная технологическая схема постоянно совершенствуется и адаптируется к новейшим отечественным и зарубежным техническим средствам, наиболее высокоэффективным и перспективным методам, современным программным средствам.

Предложенная технология может служить в качестве основы в учебном процессе по специальности «Городской кадастр».

Благодаря широкому внедрению разработанной технологии, а также её отдельных составляющих элементов в виде некоторых технических средств, ГИС CRISP, нормативно-технических документов, программных продуктов, а также организации широкой сети обучения специалистов сторонних организации, ГП «Аэрогеодезия» становится в последние годы крупнейшим на Северо-Западе России научно-техническим и учебно-методическим центром по разработке и использованию средств и методов создания цифровой топоосповы городского кадастра. Важную роль сыграли в этом научные исследования и организационные принципы, разработанные под общим руководством и при непосредственном участии автора настоящей диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Временное руководство пользователя АФП «Стереоанаграф» при создании цифровой топоосновы городского кадастра. ГП «Аэрогеодезия», С-Пб., 1996, 11 с. (сост. Юськевич A.B.).

2. Временное руководство пользователя ГИС «Сигма» при создании цифровой топоосновы городского кадастра. ГП «Аэрогеодезия», С-Пб., 1996, 9 с. (сост. Юськевич A.B., Бородин Ю.В.).

3. Заблоцкий Ф.Д., Киричук В.В., Юр О.И., Юськевич A.B. О программах составления эфемерид для астрономических определений в высоких широтах. «Геодезия и картография», 1979, N 6, с. 21-22.

4. Практическое руководство по выполнению аэрофотосъемки с использованием АФА-21/23 и GPS- метода. ГП «Аэрогеодезия», С-Пб., 1997,14 с. (сост. Баландин В.Н., Юськевич A.B.).

5. Практическое руководство по выполнению GPS-метода привязки снимков. ГП «Аэрогеодезия», С-Пб., 1997, 16 с. (сост. Баландин В.Н., Юськевич A.B.).

6. Руководство по применению ГИС CRISP для создания ЦМ земельного кадастра (РТМ 01-95). ГП «Аэрогеодезия», С-Пб., 1995, 28 с. (сост. Ефа-нов М.А., Баландин В.Н., Юськевич A.B.).

7. Юськевич А.В. Быть на передовых позициях. «Геодезия и картография», 1995, №6, с.3-6.

8. Юськевич А.В. Создание цифровой модели кадастрового плана г. Вологды. Межвузовский сборник научных трудов «Новые методы производства геодезических и маркшейдерских работ». С-Пб., 1997, с. 62-67.

9. Jouskevitch A. The Large-Scale Computer Aided Cartographic System Introduction Problems. International Symposium on modern geodetic measurements and digital techniques. Volume II. Budapest, 14-21 August, 1989.