Завдання на лабораторну роботу

ВСТУП

Вивчення курсу «Супутникова геодезія» передбачає освоєння студентами певної кількості практичних аспектів, одним з яких є такий вид робіт як складання робочого проекту на виконання топографо-геодезичних робіт по створенню супутникової геодезичної мережі згущення в заданому районі карти. Враховуючи значний рівень розвитку та вдосконалення супутникових методів визначення координат, сучасний етап виробництва топографо-геодезичних робіт ставить їх на одне з перших місць.

Супутникові методи дають змогу створювати просторові (планові та висотні) мережі одночасно Супутникові геодезичні мережі згущення забезпечують створення знімальної (робочої) основи великомасштабного топографічного та кадастрового знімання. Виробничий цикл побудови супутникових геодезичних мереж згущення складається з таких основних циклів робіт:

- проектування мереж;

- рекогностування й побудова геодезичних пунктів;

- спостереження методами супутникової геодезії;

- математичне опрацювання вимірів;

- складання каталогів просторових координат.

Контекст вищезазначеного формує парадигму того, що знання студентом нормативних та методологічних підходів до проектування та створення геодезичних супутникових мереж згущення є запорукою конкурентоспроможності майбутнього інженера-землевпорядника на ринку топографо-геодезичних послуг.

І. ЗАГАЛЬНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ
ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

Складання лабораторної роботи на тему: «Складання робочого проекту на виконання топографо-геодезичних робіт по створенню супутникової геодезичної мережі згущення в заданому районі карти» передбачено навчальним планом.

Метою даної роботи є закріплення теоретичних основ з дисципліни «Супутникова геодезія» та набуття практичних навиків щодо проектування супутникових геодезичних мереж згущення.

Вихідними матеріалами для виконання роботи є:

- топографічна карта М 1:25000;

- завдання на роботу.

Робочий проект є документом, що визначає зміст, обсяги, трудові витрати, кошторисну вартість, основні технічні умови, строки і організацію виконання робіт, що проектуються. Технічний проект вміщує: текстову, графічну і кошторисну частини.

Текстова частина проекту висвітлює такі питання:

1) коротка фізико – географічна характеристика району робіт;

2) відомості про топографо-геодезичну забезпеченість району робіт;

3) проектні роботи;

4) програму робіт на об’єкті;

5) графіки заниження геометричного фактору;

6) технологію виконання робіт;

7) заходи з техніки безпеки і охорони праці;

8) технічний звіт з виконаних геодезичних робіт по застосуванню супутникових методів визначення координат точок (тільки для студентів денної форми навчання).

Графічна частина містить:

1) проект супутникової геодезичної мережі згущення в заданому районі оформлений на топографічній карті М 1:25000;

2) схему супутникової геодезичної мережі згущення в заданому районі на ватмані А1.

Кошторисна частина проекту обґрунтовує витрати на виконання робіт, щодо проектування мережі.

Дані методичні рекомендації регламентують порядок виконання лабораторної роботи у відповідності з вимогами сучасних нормативних документів та методологічних джерел щодо порядку робіт при проектуванні та створенні геодезичних мереж супутниковими методами.

Оформлення роботи. Пояснювальна записка для розробки курсового проекту виконується згідно змісту на стандартних листах формату А4 (297×210 мм) на одній стороні листа. Виконана робота повинна представлятись на перевірку в зброшурованому вигляді.

Графічна частина. Проектні рішення виконуються на карті масштабу 1: 25000. Схема супутникової геодезичної мережі згущення виконується на ватмані формату А1.

1. Рекомендована література

1. Островський А.Л. та ін. Геодезія: Підручник. Частина друга /
А.Л. Островський, О.І. Мороз, В.Л. Тарнавський; За заг. ред.
А.Л. Островського. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2008. – 564 с.

2. Інструкція з топографічного знімання у масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500 (ГКНТ -2.04-02-98). К.: «Укргеоінформ», 1999.

3. Шумаков Ф.Т. Конспект лекцій з дисципліни «Супутникова геодезія» (для студентів 4 курсу денної форми навчання, спеціальності 7.070900 «Геоінформаційні системи та технології»). – Х.:, ХНАМГ, 2009. – 88 с.

4. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и ее применение в геодезии. 2-е изд. – М., “Картгеоцентр” - “Геодезиздат”, 2004. – 355 с.

5. ГКИНП (ОНТА)-02-262-02. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS / Под общей редакцией Л.В. Неверова.– М.: ЦНИИГАиК, 2002.– 124 с.

6. Збірник укрупнених кошторисних розцінок на топографо-геодезичні та картографічні роботи. – Наказ Міністерства екології та природних ресурсів України № 29/м від 19.02.2003 р.

Завдання на лабораторну роботу

1. Перед виконанням лабораторної роботи, попередньо необхідно вивчити теоретичний матеріал згідно рекомендованої літератури.

2. Для виконання роботи слід отримати у викладача завдання на (у завданні викладач вказує назву карти, координати вершин квадрату (району робіт), кількість та назву приладів для виконання польових робіт, кількість одиниць транспорту.

3. Для реалізації графічної частини роботи, необхідно зробити копію топографічної карти М 1:25000, яка вказана в завданні.

ІІ. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ ОСНОВНИХ

РОЗДІЛІВ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

1. Коротка фізико-географічна характеристика району робіт

Для складання робочого проекту, передусім, необхідно зібрати дані про фізико-географічні і економічні особливості території. Тому в текстовій частині слід представити опис фізико-географічних і економічних умов одного з районів Одеської області. Опису підлягають ті умови, які в певній мірі впливають на організацію, техніку виконання і вартість проектних топографо-геодезичних робіт. Фізико-географічна характеристика району робіт повинна охоплювати такі складові:

1) клімат (місцеві особливості клімату, середньомісячна температура повітря і її коливання, кількість опадів і їх розподіл за місяцями, кількість днів з туманами, режим вітрів, періоди снігового покрову і його щільність);

2) рельєф (загальний характер і особливості рельєфу, максимальні і мінімальні висоти над рівнем моря; переважаючі підвищення і крутизна схилів; наявність і розгалуженість мережі ярів, долин, їх ширина та глибина та інше);

3) гідрографія (назва і характеристика рік, струмків, бродів і їх характеристики; наявність озер, боліт, колодязів і джерел; час замерзання водоймищ);

4) ґрунти (типи ґрунтів, наявність солончаків, карстових утворень, зсувів і т.д.; глибина промерзання ґрунту);

5) економічна характеристика району робіт (характеристика населених пунктів, наявність шкіл, лікарень та інших господарських споруд; характер будівель; зайнятість населення.)

6) шляхи сполучення (опис дорожньої мережі: шосе, покращені ґрунтові дороги, ґрунтові і польові дороги, просіки (лісові дороги); їх якість і прохідність для різних видів транспорту)

1. Відомості про топографо-геодезичну забезпеченість району робіт

Розробка лабораторної роботи повинна здійснюватись на основі аналізу зібраних та систематизованих відомостей про раніше виконані топографо-геодезичні на цій території. При необхідності виконують польове обстеження району робіт.

У процесі збору матеріалів геодезичної вивченості повинні бути отримані такі відомості:

1) матеріали обстеження існуючих пунктів геодезичних мереж;

2) виписки з каталогів координат і висот пунктів, які можуть бути використані в якості вихідних в проектованої мережі;

3) абриси і картки закладки центрів існуючих пунктів;

4) витяги зі звітів раніше виконаних робіт, особливо що стосується оцінки точності;

5) детальна довідка про системи координат і висот, прийнятих на об’єкті робіт.

Також проводиться збір та систематизація картографічних (топографічних) матеріалів відповідного масштабу. На карти наноситься розташування всіх існуючих пунктів державної геодезичної мережі, які передбачається включити або прив’язати до проектованої мережі. При цьому необхідно оцінити ці пункти стосовно до нормальних умов спостережень для супутникових вимірів.

При обстеженні на місцевості збирають відомості, які необхідні для складання проекту, для чого відвідуються метеостанції, адміністративні, дорожні та інші організації. Також поряд з цим оглядають пункти тріангуляції та репери нівелювання попередніх років для виявлення степені їх збереженості і придатності до використання.

В даному пункті необхідно вказати:

1) які є в наявності вихідні картографічні матеріали, їх масштаб, січення рельєфу, площу ділянки району робіт;

2) пункти тріангуляції, які були виявлені при обстеженні.

На основі аналізу листа вихідної топографічної карти, на якій попередньо відтворено район робіт, знаходять пункти геодезичної мережі і систематизують отримані результати в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1. Топографо-геодезична забезпеченість району робіт

Придатність пунктів до використання визначається в результаті рекогностування. Підсумком аналізу топографо-геодезичної забезпеченості робіт є визначення трьох вихідних пунктів державної геодезичної мережі які будуть використанні для проектування мережі.

2. Проектні роботи

Проект мережі створюють на топографічних картах масштабів 1:25000 – 1:100000. На карті виділяють всі наявні пункти державної геодезичної мережі аналізуючи їх розташування приймають проектне рішення щодо методу побудови супутникової мережі. Рекомендується в роботі використовувати два найпоширеніших методи побудови супутникових мереж:

- радіальний (всі пункти мережі координуються з однієї референтної станції; рис. 1);

- мережевий метод (метод замкнутих геометричних фігур) – вимірювання виконуються на кожному пункті або на кожній лінії мережі (рис. 2 і 3).

Вибір схеми побудови проектованої мережі та методів супутникових вимірів залежить від призначення мережі та її точності. Вибір проводиться з урахуванням технічного завдання і матеріалів геодезичної вивченості.

Недоліками радіального методу є виникнення довгих векторів та відсутність контрольних вимірів. Позитивним є те, що можна виконувати побудову одним приймачем і те, що побудована мережа однорідна за точністю. Контролем у такій мережі можуть бути тільки незалежні виміри іншими приладами та від інших відомих точок.

Критерій точності і надійності вимірів підвищується, якщо організуються мережні вимірювання. На практиці знайшли застосування дві технології мережних побудов: однорангова і багаторангова мережі (рис. 2 і 3).

Рис. 1. Радіальний метод побудови мереж

Рис. 2. Мережевий метод побудови (однорангова мережа)

Рис. 3. Мережевий метод побудови мереж (багаторангова мережа)

Щільність пунктів створюваної мережі встановлюється у відповідності з діючими інструкціями. У процесі проектування рекомендується дотримуватися рівномірного розміщення визначаються пунктів по всьому району робіт. Щільність геодезичної основи повинна бути доведена побудовою геодезичних мереж згущення в містах, селищах та інших населених пунктах і на промислових майданчиках не менше ніж до чотирьох пунктів на 1 км² у забудованій частині та одного пункту на 1 км² на незабудованих територіях.

При виборі місця розташування проектованого пункту для супутникових вимірів необхідне дотримання наступних вимог:

1) забезпечення нормальних умов спостережень;

2) відсутність поблизу пункту (до 1-2 км) потужних джерел випромінювання (теле- і радіопередавачі і т. п.);

3) більша частина горизонту навколо пункту не повинна мати перешкод вище 15°;

4) забезпечення довготривалої схоронності центру;

5) забезпечення зручного під'їзду, доступу до пункту в будь-який час незалежно від погодних умов.

Остаточне рішення про вибір місця розташування пункту приймається після виконання польового рекогностування. Кожному пункту що визначається в мережі присвоюється індивідуальний номер (назва) та код.

Вибір вихідних пунктів (референтних станцій) проводиться відповідно до вимог які забезпечують нормальні умови спостережень. Проектування геометричних зв'язків між пунктами проводиться відповідно до обраної схеми побудови. При побудові у вигляді замкнутих геометричних фігур кожен пункт має визначатися, як мінімум, двома незалежно виміряними векторами. Висячі вектори не допускаються. У витягнутих мережах для контролю вимірювань рекомендується проектувати зв'язку між кінцевими пунктами мережі.

При проектуванні для контролю необхідно передбачити повторні вимірювання визначених векторів. Повторні вимірювання рекомендується виконувати в інший час (вікно спостережень). Для контролю рекомендується додатково проектувати вектори між вихідними пунктами, що дозволить оцінити надійність вихідної основи.

Згідно вимог Інструкції (ГКНТ -2.04-02-98) GPS-мережа має відповідати таким основним вимогам:

- мережа повинна складатися із замкнутих петель або інших замкнутих геометричних фігур;

- повинна бути здійснена прив’язка мережі не менш як до трьох пунктів державної геодезичної мережі, на яких обов’язково виконуються GPS-спостереження;

- GPS-мережа повинна бути прив’язана не менше ніж до чотирьох нівелірних знаків з використанням безпосередніх методів прив’язки.

Під час проектування мережі розрахунку підлягають такі величини як мінімальна кількість сесій та кількість векторів, що вимірюються в одній сесії.

Мінімальна кількість сесій спостережень N для мережі, якщо кількість пунктів S і використовується R приймачів для кількості повторних вимірів M та кількості приймачів, які використовувались в попередній та наступній сесії О визначається для першої технології (спостереження на кожному пункті) за формулою:

, (3.1)

а для другої технології (вимірювання кожної лінії) за формулою:

, (3.2.)

Повторні вимірювання є доброю основою для контролю вимірів та для надійної оцінки їх точності. Під час створення великих мереж доцільно використовувати максимально можливу кількість приймачів. Це зумовлює зменшення числа сесій, а отже приводить до скорочення часу на спостереження. В ідеальному випадку, коли число приймачів співпадає з числом пунктів в мережі, спостереження виконуються за одну сесію.

Розрахунок числа векторів, що вимірюються в даній сесії, можна виконати за формулою:

, (3.3)

де R – число приймачів.

Зазначимо, що число одночасно виміряних векторів зростає швидше, ніж число приймачів (табл. 3.1).

Таблиця 3.1

Запроектована супутникова геодезична мережа підлягає аналізу та систематизації її технічних характеристик в табличному вигляді (табл. 3.2.). Зокрема дана таблиця містить дані щодо всіх векторів мережі, які підлягають вимірюванню (назва вектору, його довжина, тривалість сесії)

Таблиця 3.2. Технічні характеристики супутникової геодезичної мережі згущення

Слід зазначити що проміжок часу, коли спостереження одних і тих же супутників виконується з двох чи більше пунктів, називається сесією. Під час створення супутникових геодезичних мереж згущення тривалість сесії залежить від типу приймача та технології GPS-вимірювання. Зокрема рекомендується під час такого виду робіт як створення супутникових геодезичних мереж згущення застосовувати статичний метод визначення координат пунктів. За умови використання статичного методу тривалість сесії варто розраховувати на основі дожини вектору та виходячи з таких позицій:

- одночастотний приймач – 30 хвилин + 3 хвилини на кожен кілометр довжини вектору;

- двохчастотний приймач – 20 хвилин + 2 хвилини на кожен кілометр довжини вектору.

Проект супутникової геодезичної мережі згущення повинен бути представлений на топографічній карті М 1:25000 та у вигляді схеми на ватмані А1. Окрім схеми на ватмані варто представити в табличному вигляді технічні характеристики мережі, та перелік умовних позначень.

Вимоги до оформлення проекту на карті. Референцні пункти позначають трикутниками зеленого кольору. Пункти що визначаються позначаються квадратами червоного кольору. Вектори між вихідними пунктами проводять зеленим кольором. Вектори між референцними та пунктами що визначаються проводять червоним кольором. Всі пункти повинні бути підписані.

3. Програма робіт. Графік зниження геометричного фактору

Програма робіт є однією з ключових складових в робочому проекті по створенню супутникової геодезичної мережі згущення. Програма робіт - основа для розробки оперативного плану виконання польових робіт та організаційних заходів.

Програма робіт складається перед виїздом на польові роботи і затверджується начальником партії та головним інженером експедиції. Програма робіт повинна враховувати кількість і тип наявних приймачів, а також можливості програмного забезпечення для обробки вимірів.

Тривалість сесії по кожному з векторів обчислена в таблиці 3.2 є базисом для подальших розрахунків програми робіт.

Концептуальним фактором, який впливає та корегує програму робіт є графіки значень DOP і видимості супутників на весь період польових робіт за допомогою програмного забезпечення по супутниковому альманаху. Для кожного пункту визначаються вікна спостережень з гарними показаниками DOP, з необхідною кількістю супутників і з урахуванням наявних перешкод. При цьому необхідно виключати інтервали з різкими, стрибкоподібними коливаннями значення DOP.

Програму робіт слід складати на основі затверджених маршрутів руху між пунктами, враховуючи час на переїзди між ними. Затверджені маршрути руху формують схему переміщення приймачів.

Програма спостережень може складатися на окремих пунктах або щоденно по всіх пунктах мережі. У табл. 4.2 поданий план організації сесій на один робочий день.

Таблиця 4.2 Програма спостережень на один день

Програмою в таблиці 4.2. заплановано 5 сесій. Усіх приймачів та відповідно виконавців (одиниць транспорту) – 5.

Мережа, що спостерігається, має один референцний пункт. На цьому пункті (№1019) приймач ІV виконує спостереження без переїздів. Інші 20 пунктів – роверні: приймачі змінюють положення між сесіями. Час виконання першої сесії вибирають, враховуючи необхідність одночасного виконання умови видимості і геометричної конфігурації сузір'я супутників на всіх пунктах, які задіяні в сесії. Тому тривалість цього інтервалу спостережень сесії повинна перевищувати тривалість вимірювання будь-якого вектора. Загальна тривалість вимірювання будь-якого вектора складається з часу, необхідного для виконання наступних операцій:

- відшукування центру пункту – 10-15 хв;

- встановлення та підключення приймача – 5-10хв;

- ініціалізація приймача – до 25 хв;

- супутникові спостереження – згідно розрахунку;

- згортання приймача і підготовка до переїзду – 5-10хв.

Важливим для супутникових спостережень є так званий геометричний фактор. Точність лінійної просторової засічки залежить від не тільки від точності лінійного вимірювання, але й від геометрії розташування супутників: від кутів під якими перетинаються у шуканій точці напрямки із супутників. Параметр, який оцінює зростання похибок вимірювання через геометрію розташування супутників, отримав назву геометричного фактора, який прийнято позначати DOP (Dilution of Precision – зниження точності). Найуніверсальнішим показником є параметр GDOP – геометричний фактор зниження точності, який характеризує одночасно як точність тривимірного позиціювання так і часу. GDOP дає змогу оцінити геометрію супутникового «сузір’я». Маленьке значення GDOP свідчить про добру геометрію і є запорукою отримання надійних результатів. Високе значення GDOP означає, що супутникове «сузір’я» погане. Значення GDOP, менше за шість, вважається допустимим, а більше за шість – завеликим.

В лабораторній роботі кожен студент за допомогою програмного забезпечення LEICA Geo Office Tools, використовуючи файл альманаху супутників і вказавши геодезичні координати одного з вихідних пунктів державної геодезичної мережі який використаний в мережі, будує графік зниження геометричного фактору (GDOP; Рис. 4).

Рис. 4. Графік зниження геометричного фактору

(Punkt DGM Odessa, B = 46°28’5,1’’ L = 30°44’31,1’’)

Програма робіт повинна бути складена з врахуванням побудованого графіка GDOP. Крім графіка в роботі слід надати звіт по побудові графіка GDOP.

Для побудови графіка GDOP в програмі LEICA Geo Office Tools необхідно (рис.5):

1) завантажити з сайту http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs поточний альманах супутників (файл current.alm);

2) імпортувати отриманий файл в підрозділ Satellite Availability (вкладка Management) програми LEICA Geo Office Tools (пункт Almanacs\Import\current.alm);

3) вказати геодезичні координати пункту для якого розраховується графік зниження геометричного фактору (пункт Sites\ назва пункту; опис; B, L, Н; часовий пояс);

4) обрати в підрозділі Satellite Availability вкладку Availability в підпункті Chart Configuration обрати пункт GDOP).

В результаті перерахованих дій в окремому вікні отримаємо графік зниження геометричного фактору; рис. 6 (якщо викликати контекстне меню даного вікна і обрати пункт «Open report», то отримаємо звіт по побудові GDOP).

Рис. 5. Вікно програми LEICA Geo Office Tools

(вказання пункту та завантаження файлу альманаху)

Рис. 6. Вікно побудови GDOP в LEICA Geo Office Tools

5. Технологія виконання робіт

Статичний метод є основним під час побудови супутникових геодезичних мереж згущення і застосовується найчастіше. Для статичної технології всі приймачі за весь час спостережень знаходяться на одних і тих самих пунктах. Час виконання спостережень залежить переважно від заданої точності та від віддалі між пунктами (довжин векторів). Тривалість сесії може бути від 30 хвилин до 4-6 днів в залежності від класу мережі та необхідної точності.

На практиці точність такої технології становить 5мм ± на 1 км довжини вектора, що визначається. Під час вимірювання статичними методами важливим є підбір відповідних супутникових приймачів. Для відстаней між пунктами більше за 100км потрібно використовувати двочастотні приймачі. На коротких лініях (до 20км) можна використовувати і одночастотні приймачі

Для визначення координат статичним методом необхідно перед зніманням кожен супутниковий приймач відповідно підготувати до роботи в даному режимі.

Для цього кожен приймач має в пам'яті ряд параметрів і функцій для конфігурування користувачем. Під конфігурацією в подальшому будемо розуміти конкретний набір параметрів. Всі налаштування параметрів і функцій для здійснення конкретних методів вимірювання поєднуються в набір налаштувань (конфігурацій).

Під час використання статичного режиму роботи використовуються наступні, рекомендовані виробниками приймачів GPS – параметри:

- режим роботи - «статика» (static);

- дискретність запису: 15; 30; 60 секунд;

- мінімальна висота супутника над горизонтом (кут відсікання) - 15º;

- режим запису даних – ущільнений (compacted);

- гранична величина геометричного фактору (GDОР) – 8;

- мінімальна кількість супутників – 4;

В залежності від фірми виробника та типу супутникового приймача кількість параметрів може бути іншою.

Для успішного виконання високоточного GPS – вимірювання потрібно виконувати спостереження під час «хороших вікон». Під «хорошими вікнами» розуміють велику кількість супутників (5-8) та мале значення коефіцієнта GDОР (1-4).

Виміри при статичному методі починають згідно затвердженої програми робіт. Дозволяється включення приймача за 5 хвилин до встановленого початку вимірювань. Запізнення не допускається, так як це зменшить час спільної роботи приймачів під час і може погіршити результат. Для уточнення часу роботи приймачів під час рекомендується мати між виконавцями (бригадами) радіозв'язок. Рішення про дострокове припинення сеансу приймає керівник робіт.