Опыт создания современной геодезической основы и съёмочного обоснования для крупномасштабной съёмки городской территории

УДК 528 3 А. В. ВОЙТЕНКО

Р. В. ЗОТОВ Ю. В. СТОЛБОВ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

ОПЫТ СОЗДАНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ И СЪЁМОЧНОГО ОБОСНОВАНИЯ ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СЪЁМКИ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ

Детально изложены особенности опытно-производственной работы по созданию современной геодезической основы на территории города (на примере г. Омска). Приведены результаты оценки точности на каждом этапе создания сети базовых станций. Дана оценка качеству планового и высотного обоснования при создании ЦТП масштаба 1:500 с сечением рельефа 0,5 м по материалам аэрофотосъёмки и воздушного лазерного сканирования. Описываются особенности и нестандартный подход, способствующие ускорению процессов проектирования и привязки опо-знаков.

Ключевые слова: сеть базовых станций, мировая геодезическая сеть, система координат WGS-84, государственная система координат (ГСК-95), координаты центров фотографирования, аналитическая пространственная фототриангуляция.

Одной из первоочередных задач XXI века в России является современное геоинформационное обеспечение территорий городов, которое включает создание единого координатно-временного пространства и современной цифровой картографической основы.

Комплекс аэрофотогеодезических и картографических работ для современного геоинформаци-онного обеспечения территории города включает [1] следующее:

1. Создание единого поля координатно-временной информации.

2. Аэрофотосъемка и лазерное сканирование городской территории со спутниковой навигацией и определением элементов внешнего ориентирования для создания современного цифрового картографического материала в средних и крупных масштабах, а также для целей реального 3D моделирования объектов городской инфраструктуры.

3. Создание цифрового планово-картографического материала необходимой точности и его мониторинг — поддержание его на уровне современности.

Рассматриваемый в данной работе комплекс аэрофотогеодезических работ по созданию геодезической основы и съёмочного обоснования входит составной частью в выше названный комплекс современного геоинформационного обеспечения города. Предназначен, в частности, для выпуска цифровых топографических планов (ЦТП) масштаба 1:500 с сечением рельефа 0,5 м.

В качестве исходных данных для ускоренной технологии использовались пункты мировой сети GPS, пункты ГГС, панхроматическая аэрофотосъёмка масштаба 1: 4000, fk = 303 мм с определением коорди-

нат центров фотографирования (КЦФ) и материалы воздушного лазерного сканирования. Исследуемые виды работ и их взаимосвязь в комплексе отражены в блок-схеме технологии создания цифровых топографических планов (ЦТП) по материалам аэрофотосъёмки (АФС) и воздушного лазерного сканирования (ВАС), которая приведена на рис. 1.

Современная геодезическая основа городской территории. Современная геодезическая основа города создаётся по спутниковой технологии в местной системе координат, установленной строго относительно Государственной геодезической системы координат (ГСК-95), что регламентируется постановлениями Правительства Российской Федерации. Для создания такой сети и установления местной системы координат (МСК) необходимо выдержать следующие основополагающие условия:

— местная система координат должна иметь непосредственные параметры (ключи) перехода к Государственной системе координат ГСК-95;

— каркас современной геодезической основы города создаётся в виде сети базовых станций по GPS-технологии, которые можно классифицировать как исходные пункты;

— один или несколько исходных пунктов должны быть определены относительно не менее трёх близлежащих пунктов фундаментальной астроно-мо-геодезической сети (ФАГС) и высокоточной геодезической сети (ВГС). Либо относительно постоянно действующих пунктов мировой геодезической сети [2];

— главным условием является необходимость сохранения городской системы координат, в которой ранее были выполнены крупномасштабные съёмки территории города.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012

Рис. 1. БЛОК-СХЕМА технологии создания ЦТП масштаба 1: 500 по материалам АФС и ВАС

Рис. 2. Схема сети базовых станций города

Таблица І

Характеристики пунктов мировых GPS-сетей

Таблица 2

Ошибки замыкания GPS-полигонов

Название пункта Название мировой GPS-сети Географическое расположение пункта Расстояние от пункта мировой GPS-сети до базовой станции, м

NRIL NEDA РФ, Норильск 1,7106

NVSK EUREF РФ, Новосибирск 6,3105

GUAO IGS Китай, Урумчи 1,6106

SELE IVTAN Казахстан, Алма-Аты 1,3106

ARTU NEDA РФ, Екатеринбург 0,9106

Название полигона Периметр полигона Величина горизонтальной ошибки Величина вертикальной ошибки

NRIL-NVSK- БAЗA 4033469,442 0,133 -0,019

NRIL-ARTU- БAЗA 4743332,704 0,184 -0,142

SELE-GUAO- БAЗA 3789827,284 0,097 0,044

SELE-ARTU- БAЗA 4242857,379 0,081 0,009

NVSK- GUAO-БAЗA 3554297,257 0,031 -0,026

Геодезическая привязка сети базовых станций осуществляется в два этапа. На первом этапе выполняется привязка всех пунктов спутниковой геодезической сети к общеземной системе координат WGS-84. На втором этапе определяются координаты базовых станций и нивелирных пунктов в ГСК-95 и Балтийской системе высот 1977 года.

На территории города Омска была создана сеть из пяти базовых станций (рис. 2). Базовая станция «ВИСХАГИ» определена из пятисуточных сеансов наблюдений относительно пяти постоянно действующих пунктов мировой геодезической сети с использованием точных эфемерид.

Определение координат всех пунктов сети в системе координат WGS-84 производилось следующим образом. Были получены координаты базовой станции ВИСХЛГИ от базовых станций мировой геодезической сети. В качестве базового приёмника использовался двухчастотный приемник Leica SR 9500 с антенной Zephyr Geodetic, были выполнены пятисуточные измерения с дискретностью 5 секунд.

Основные характеристики станций мировой сети, от которых были определены координаты базовой станции, приведены в табл. 1. Обработка спутниковых измерений проводилась в программном обеспечении Trimble Geomatics Office версии

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012

*

NRIL

А - опорная точка

О - точка базовой станции

Рис. 3. Схема привязки к пунктам мировой сети GPS

1.63, вычисление базовых линий производилась при маске возвышения, равной 13 градусам и использовании точных эфемерид. Все базовые линии, используемые для определения координат базовой станции, имели фиксированный тип решения. Сеть, полученная при обработке спутниковых измерений, представлена на рис. 3.

Перед уравниванием качество спутниковых измерений было проверено величиной горизонтальной и вертикальной ошибки замыкания каждого из пяти полигонов. Величины этих ошибок представлены в табл. 2.

Координаты всех исходных точек были приведены к одной временной эпохе. В результате уравнивания спутниковой сети были получены координаты базовой станции, погрешности определения координат составили 0,022 м по оси абсцисс, 0,022 м по оси ординат и 0,105 м по высоте.

Определение координат остальных базовых станций в СК WGS-84 было выполнено уравниванием от базовой станции ВИСХАГИ. С использованием координат всех базовых станций были получены координаты всех пунктов сети.

После привязки спутниковой геодезической сети к общеземной системе координат определяются координаты в государственной системе координат 1995 года. Для этого выполняются спутниковые измерения сетевым методом от пунктов государственной геодезической сети. На пунктах ГГС выполнялись синхронные спутниковые наблюдения четырьмя сеансами с изменением высот антенн между сеансами. Длительность одного сеанса спутниковых наблюдений составляет 4 часа.

На нивелирных пунктах выполняются синхронные спутниковые наблюдения двумя сеансами с изменением высот антенн между сеансами. Длительность одного сеанса спутниковых наблюдений так же составляет 4 часа.

Для определения планово-высотных координат базовых станций в системе координат СК-95 были проведены спутниковые наблюдения на пяти пунктах ГГС первого и второго класса, а именно: Трактовый, Сперановка, Ломти, Любино, Николаевский Новый. Так же были выполнены спутниковые наблюдения на четырех грунтовых реперах нивелирования первого и второго класса: № 1382, № 2214,

Таблица З

Оценка сети по координатам контрольных пунктов ГГС

Название Расхождения Расхождения Расхождения

пункта абсцисс ординат по высоте

Пушкино, 2 кл. 0,001 0,008 -0,003

Антоновский, 2 кл. 0,017 0,018 0,041

Черемушки, 2 кл. 0,072 0,076 0,063

Игоево, 1 кл. 0,037 0,044 0,003

№ 6472, № 0164. Схема наблюдений базовых станций и пунктов ГГС представлена на рис. 2.

Для выполнения запроектированных работ были использованы спутниковые навигационные приемники геодезического класса точности Trimble 5700 с антеннами «Zephyr» и «Zephyr Geodetic». Во время приёма спутникового сигнала на точке непрерывно наблюдалось не менее четырех спутников одновременно. Состав спутников в продолжение приёма мог меняться. Интервал регистрации для данного типа приёмников с учётом применяемого метода спутниковых определений составлял 15 секунд. Значение интервала регистрации должно быть одинаковым для всех приёмников, используемых в сеансе. Высота антенны определялась на каждом пункте не грубее 5 мм. Высота антенны измерялась исполнителем перед началом и в конце сеанса наблюдений. Погрешность центрирования антенны спутникового приемника над центром пункта ГГС и грунтовым репером была не более 1 мм. Маска отсечки спутников по высоте при наблюдениях на пунктах ГГС и грунтовых реперах и базовых станциях была равна 0 градусам, которая в процессе постобработки с учётом условий наблюдений и их качества уточнялась.

Вычисление пространственных GPS-векторов между пунктами ГГС, грунтовыми реперами и базовыми станциями выполнялось с использованием программного продукта Trimble Geomatics Office v 1.6. Решения векторов были фиксированными, RMS<0.020, Ratio>3, Reference Varience<5.

После выполнения всего комплекса полевых геодезических работ по определению координат базовых станций в системе координат СК-95 и Балтийской системе высот 1977 г. было выполнено уравнивание всей сети в программном продукте Trimble Geomatics Office v 1.6. Погрешности получения координат базовых станций не превысили 1 см в плане и 3 см по высоте относительно пунктов ГГС и пунктов нивелирования.

От базовых станций были проведены контрольные спутниковые наблюдения на четырех пунктах ГГС с последующим уравниванием координат этих пунктов в государственной системе координат и СК WGS-84. Целью этой части работ было сравнение полученных координат и высот с величинами из каталога для реальной оценки качества работ. Результаты исследований (табл. 3) позволили реально оценить качество созданной спутниковой геодезической сети и её пригодность для проведения комплекса работ по созданию цифровых топографических планов масштаба 1: 500.

Средние квадратические погрешности по осям абсцисс, ординат и высот соответственно составили 0,041 м, 0,045 м и 0,038 м. Результаты контроля показали, что точность координат и высот базовых станций в государственной системе координат до-

Рис. 4. Фрагмент проекта планово-высотной привязки аэроснимков с использованием космических снимков

Таблица 4

Оценка точности определения координат опознаков

ПОГРЕШНОСТИ ЖП предельная СКП

в плане, см по высоте, см в плане, см по высоте, см

Допустимая 5,0 5,0 10,0 10,0

Фактическая 3,1 3,6 6,2 7,2

статочна для проведения комплекса аэрофотогеодезических работ по созданию ЦТП масштаба 1: 500.

Определение параметров перехода от системы координат WGS-84 к СК-95 выполнялось путем решения системы, состоящей из 54 уравнений с использованием координат пунктов ГГС в двух СК на 18 пунктах созданной спутниковой геодезической сети. Решение этих уравнений выполнялось по методу наименьших квадратов. Для каждого пункта сети составлялись три уравнения вида:

Х^ = Х~2 + АХ + Юу • ^2 — *^2 + т*Х~2,

У^ = У~2 + АУ — ^2 + z *Х~2 + т* У2,

Zl = Z2 + АZ + х *У2 — Юу • Х2 + т*Z2,

где Х|, Х2,У|,У2, Zl, Z2 — координаты пунктов сети в обеих системах координат,

АХ,АF,АZ,юx,юу,юz,т — параметры перехода от СК WGS-84 к СК-95.

Средняя квадратическая погрешность нахождения перечисленных параметров составила 0,032 м.

Что касается главного условия — оптимизации параметров перехода при установлении местной системы координат, то эта тема заслуживает особого внимания и требует детального изложения в отдельной статье

Планово-высотная подготовка снимков. Цель проведения работ по планово-высотной подготовке аэроснимков — получить качественное съёмочное обоснование для создания цифровых топографических планов М 1:500 с высотой сечения рельефа 0,5 метра, на территории центральной части города Омска по материалам аэрофотосъёмки и лазерного сканирования.

АФС и ВЛС города Омска выполнены с использованием пяти базовых станций в качестве геодезической основы для определения элементов внешне-

го ориентирования аэрофотоснимков и сканерного блока.

Продукт Неогеографии в России — Google Earth достаточно высокого разрешения успешно использовался на стадии проектирования аэрофотосъёмки города, а также для составления проекта планововысотной привязки наземных опознаков и его реализации не дожидаясь материалов аэрофотосъёмки, которые достаточно долго проходят процедуры приёмки и специальной цензуры. Такой элемент технологии реализован при крупномасштабном картографировании территории города Омска (рис. 4).

Растр высокого пространственного разрешения космического снимка совмещался с реальным проектом аэрофотосъёмки и границей обработки в мировой географической системе координат в WGS-84. Это позволило реально ускорить процессы проектирования и выполнения полевого комплекса аэрофотогеодезических работ по привязке наземных планово-высотных опознаков, не дожидаясь поступления материалов аэрофотосъёмки.

Для определения координат опознаков относительно базовых станций измерения выполнялись в режиме «Быстрая статика» одночастотным GPS-приёмником Trimble серии 4600 (антенна «4000LS internai»). Длительность сеанса измерений на опоз-наке 30 мин и более. Для постобработки использовалось программное обеспечение «TRIMBLE GEO-MATICS OFFICE v.1.6». Во время наблюдений опо-знаков использовались как минимум две из трёх базовых станций: «ВИСХАГИ», «ЦТИ», «РКЦ». Максимальное расстояние до определяемого опозна-ка —15 км. Оценка точности определения опознаков приведена в табл. 4.

Качество созданного планового съёмочного обоснования характеризуют результаты уравнивани-вания блочной фототриангуляции, выполненного по строгому методу связок с использованием координат наземных планово-высотных опознаков и координат центров фотографирования снимков. Фотограмметрическое сгущение съёмочного обоснования выполнялось на цифровой фотограмметрической станции Z/I фирмы Intergraph путем построения блочной фотограмметрической сети. При этом на каждой стереопаре было измерено не менее 18 связующих точек в шести стандартных зонах перекрытия.

В результате фотограмметрического уравнивания остаточные средние расхождения в положении опорных точек (наземных планово-высотных опознаков) составили в метрах по осям координат X, Y, Z соответственно: 0,037; 0,065; 0,025.

Остаточные средние расхождения в положении центров фотографирования в метрах составили по осям координат X, Y, Z соответственно: 0,083; 0,111; 0,064.

Остаточные средние расхождения на контрольных геодезических точках (наземных планово-высотных опознаках), не использованных при уравнивании, составили аналогично в метрах: 0,014; 0,058; 0,014.

Точность построения сети пространственной фототриангуляции удовлетворяет требованиям Инструкции [3] при создании цифровых топографических планов масштаба 1: 500.

Качество создания высотного обоснования объективно оценивалось по результатам полевого контроля цифровой модели рельефа. Точность построения цифровой модели рельефа определялось в сравнении с материалами полевой инструментальной

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012

*

съемки рельефа. С использованием спутниковых приемников Trimble и электронных тахеометров определялись плановые координаты и высоты точек. Оценка точности построения цифровой модели рельефа, полученной по точкам лазерного сканирования, показала, что среднее значение разности между отметками, полученными по результатам полевой съёмки, и отметками, полученными по результатам ВЛС, не превысило 7 см. Суммарная средняя квадратическая погрешность высот равна 9,4 см. Точность цифровой модели рельефа, полученной по координатам точек лазерного сканирования, удовлетворяет требованиям Инструкции [4] для создания рельефа ЦТП масштаба 1:500 с высотой сечения рельефа 0,5 метра.

Библиографический список

1. Быков, Л. В. ВИСХАГИ: профессиональное геоинфор-мационное обеспечение российских городов / Л. В. Быков, Р. В. Зотов, А. П. Макаров. // Архитектура и строительство. — 2008. - № 9. - С. 34-36.

2. Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем

ГЛОНАСС/GPS. ГКИНТ (ОНТА)-01-271-03. - М. : ЦНИИГА-иК, 2003. - 181 с.

3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. - М. : ЦНИИГАиК, 2002. - 100 с.

4. Инструкция по топографической съёмке в масштабах 1: 5000, 1: 2000, 1: 1000 и 1:500. - М. : НЕДРА, 1985. - 151 с.

ВОЙТЕНКО Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры геодезии. ЗОТОВ Руслан Викторович, кандидат технических наук, профессор кафедры геодезии, заслуженный работник геодезии и картографии РФ. СТОЛБОВ Юрий Викторович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры геодезии, заслуженный работник геодезии и картографии РФ.

Адрес для переписки: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.

Статья поступила в редакцию 05.06.2012 г.

© А. В. Войтенко, Р. В. Зотов, Ю. В. Столбов

уДК 504.06:3323(571) Л. Н. ГИЛЁВА

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина

ОЦЕНКА

ПРИРОДНО-РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ РАЦИОНАЛЬНОГО ЗЕМЛЕ- И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

В статье даны методические положения оценки природно-ресурсного потенциала территории, определена важность ее проведения для северных территорий, представлены результаты оценки природно-ресурсного потенциала территории Пу-ровского района ЯНАО, определена актуальность проведения оценки как основы организации рационального земле- и природопользования северных территорий. Ключевые слова: рациональное земле- и природопользование, оценка природноресурсного потенциала, естественные ресурсы, антропотехногенные ресурсы, социально-экологические ресурсы.

Организация рационального земле- и природопользования связана с оценкой природно-ресурсного потенциала территории, от результатов которой может зависеть вся производственная деятельность хозяйствующего субъекта. Объективная оценка позволяет более четко организовать рациональное природопользование, обеспечив минимизацию негативных последствий использования территорий и привести в соответствие потребности в интенсивном использовании природных ресурсов с их количеством. Для обеспечения рационального использования природных ресурсов, охраны недр и окружающей среды важны не только натуральные, физические данные о количестве и качестве природных ресурсов, но и стоимостные характеристики этих

ресурсов, т.к. эффективность общественного производства находится в тесной зависимости от ценности вовлекаемых в производство природных ресурсов. Совокупность природных ресурсов, условий и процессов, составляющих основу жизнедеятельности общества, является природно-ресурсным потенциалом [1]. Оценка природно-ресурсного потенциала должна предшествовать использованию того или иного природного ресурса, прогнозируя скорость и примерный срок истощения ресурса, количественное и качественное измерение его потребительной стоимости, народнохозяйственную ценность ресурса, возможность определить, ту часть природных ресурсов, составляющих природно-ресурсный потенциал, которая может быть реально вовлечена