CC BY
327
УДК 519.85
ОБРАБОТКА ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ ИЗЫСКАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
© Б.Н. Олзоев1, О.В. Данченко2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На примере Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения рассмотрена технология обработки геодезических данных инженерных изысканий в программе CREDO_DAT и СРЕйО_Топоплан. Сделан вывод о целесообразности их использования в геодезическом производстве. Приведены результаты обработки измерений превышений, длин и предварительной обработки данных съемочного обоснования. Ил. 3. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: инженерно-геодезические изыскания; ГИС-технологии; обработка геодезических данных; уравнивание ходов.
PROCESSING RESEARCH GEODETIC DATA BY MEANS OF GIS- TECHNOLOGY PROGRAMS B.N. Olzoev, O.V. Danchenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
By the example of the Verkhnechonsky oil and gas condensate field the article considers the technology for processing engineering research geodetic data in the CREDO_DAT and CREDO_Topoplan programs, and makes a conclusion on their expediency in geodetic production. The results of processing the measurements of exceedings, lengths and preliminary processing of surveying justification data are provided. 3 figures. 11 sources.
Key words: engineering and geodetic researches; GIS-technologies; processing of geodetic data; equalization of entries.
Введение
Стремительное развитие геоинформационных технологий затронуло производственные циклы и процессы геодезической отрасли. Это привело к полной автоматизации создания топографических планов, обработки полевых топографо-геодезических материалов, построения профилей и цифровых моделей рельефа и др. В то же время развитие геодезической техники и оборудования не останавливается на месте. Методики и технологии совместного использования программного и аппаратного обеспечения определяются как непрерывный процесс слаженного механизма геодезического производства. В связи с этим в работе представлен один из основных этапов комплекса то-пографо-геодезических работ - камеральной обработки геодезических данных с использованием программного комплекса CREDO [6,8,9].
Цель исследования
Целью исследования является технология обработки результатов геодезических данных инженерных изысканий с использованием программ ГИС.
Материал и методы исследования
В технологии CREDO выполняются следующие основные этапы инженерно-геодезических изысканий [6,8]:
• сбор и обработка данных при наземных съемках;
• обработка линейных изысканий и трассирование;
• создание цифровой модели местности, выпуск топографических планов и планшетов;
• использование существующих картографических материалов.
Также в технологической линии CREDO предусмотрено решение следующих инженерно-геодезических задач: расчеты объемов земляных работ, подготовка данных для выноса в натуру.
В приведенных выше этапах, решение инженерно-геодезических задач выполняется на основе совместного использования пространственных (координированных) и атрибутивных (семантических) данных.
Теоретической основой рассмотренной работы являются научные труды отечественных ученых Кар-пика А.П., Шайтуры С.В., Журкина И.Г. и др., которые внесли существенный вклад в методологию и методику использования геоинформационных технологий в геодезических работах и создания геопространственных моделей как элементов устойчивого развития территорий [2,5].
Результаты обработки геодезических данных реализованы на объекте работ - территория обустройства Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения.
1Олзоев Борис Николаевич, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89149270588, e-mail: olzoev@istu.edu
Olzoev Boris, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89149270588, e-mail: olzoev@istu.edu
2Данченко Оксана Владимировна, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89148762575, email: gor@istu.edu
Danchenko Oksana, Senior Lecturer of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: 89148762575, e-mail: gor@istu.edu
Верхнечонское нефтегазоконденсатное месторождение - крупнейшее в Иркутской области и второе по величине на востоке России. Его балансовые запасы нефти по категории С1 составляют 159,5 млн тонн, С2 - 42,1 млн тонн; конденсата по категории С2 - 0,4 млн тонн, по С2 - 2,9 млн тонн; газа по С1 - 11,7 млрд куб. м, по С2 - 83,8 млрд куб. м.
Инженерно-геодезические работы были выполнены в соответствии с действующими законодательными и нормативными актами Российской Федерации [3,4,7,10]. Измерения, уравнивание опорных и съемочных сетей было выполнено в системе координат СК-95 и Балтийской системе высот.
Создание плановой и высотной опорной сети выполнено от пунктов ГГС, пунктов нивелирной сети II-IV классов с использованием спутниковых геодезических приемников Trimble - 5700 с соблюдением методики и требований пп. 5.9 - 5.23 СП 11-104-97 и инструкции ГКИНП (ОНТА)-02-262-02, обеспечивающих точность определения планового положения не ниже полигоно-метрии 2 разряда и точность определения высотного положения пунктов не ниже IV класса нивелирования [3,10].
Точки опорной сети располагаются парами в прямой видимости между собой, пары точек располагаются друг от друга на расстоянии до 4-5 км. Плановое и высотное положение грунтовых реперов определено с использованием спутниковых геодезических приемников. Чтобы обеспечить приведение сети сгущения в систему координат и высот пунктов ГГС, используется не менее 4-х пунктов ГГС с известными плановыми координатами и не менее 5 пунктов геоосновы с известными высотами, которые находятся в пределах объекта и ближайшие к объекту за его пределами.
Метод наблюдения - статический и быстрая статика, при котором наблюдения подвижным приемником на точке выполняются одним приемом продолжительностью от 30 мин до 1 часа.
При развитии опорной сети использован метод построения сети (рекомендован инструкцией ГКИНП (0НТА)-02-262-02 для съемок масштаба 1:2000, 1:1000,1:500, высотой сечения рельефа 0,5 м) [3].
Последующая обработка данных, полученных в поле, осуществлена с помощью соответствующего программного обеспечения - TGO вер. 1.69 [11].
Создание планово-высотного съемочного обоснования осуществлено методом проложения полигонов и отдельных теодолитных ходов от точек опорной сети, пунктов ГГС и пунктов опорной сети, с использованием электронных тахеометров, руководствуясь п. 5.24-5.55 СП 11-104-97 [10].
Проложение полигонов и ходов планово-высотного съемочного обоснования, согласно письму Росреестра №6-02-3469 от 27.11.2001 г., выполнено электронными тахеометрами между точками опорной сети, путем измерения горизонтальных и вертикальных углов, и расстояний [7]. Регистрация данных измерений осуществлялась в память электронного тахеометра с последующей передачей данных измерений на портативный ПК. Уравнивание ходов созданного планово-высотного съемочного обоснования вы-
полнено непосредственно в поле на портативном ПК, в программном комплексе «CREDO_DAT» [6].
Высотное положение точек съемочного обоснования определено техническим нивелированием с соблюдением следующих условий:
• предельное расстояние между тахеометром и отражателем - 300 м;
• измерения производятся при двух положениях вертикального круга, в прямом и обратном направлении;
• высота прибора и отражателя над маркой центра измерена с точностью 2 мм.
Создание съемочного обоснования произведено до плотности, обеспечивающей выполнение съемки ситуации и рельефа в масштабе 1:2000 и 1:1000 с сечением рельефа горизонталями через 0,5 м, согласно п.5.57-5.59 и 5.93-5.98 СП 11-104-97 [10]. Относительная ошибка определения планового положения должна отвечать допустимым величинам для масштабов 1:2000, 1:1000, то есть не ниже 1/2000.
Допустимая угловая невязка в теодолитном ходе вычисляется по формуле [4]:
где п - число углов в ходе.
Допустимая невязка определения пунктов по высоте вычисляется по формуле [4]:
рнддо = 50 мм41, где L - длина хода в км.
Опорная сеть преимущественно была построена на грунтовых и временных реперах.
Вдоль изыскиваемых трасс выполнена топографическая съемка в масштабе 1:2000 с сечением рельефа горизонталями через 0,5 м, шириной полосы съемки 150 м (по 75 м в обе стороны от оси трассы).
На переходах через естественные и искусственные преграды и на площадках выполнена топографическая съемка в масштабе 1:500 с сечением рельефа горизонталями через 0,5 м, шириной полосы съемки 150-200 м (по 75-100 м в обе стороны от оси трассы) и по 50-100 м в каждую сторону от места пересечения по ходу трассы.
Тахеометрическая съемка произведена с точек планово-высотного обоснования. Электронным тахеометром съемка местности произведена одновременно с развитием съемочного обоснования (трассированием).
Набор пикетов, их количество проведено равномерно по всей площади съемки с учетом форм рельефа, контурной загрузки и расстояния между пикетами. Предельные расстояния между пикетами при съемке в М 1:2000 с высотой сечения рельефа 0,5 м -40 м, при съемке в М 1:1000 с высотой сечения рельефа 0,5 м - 20 м, при съемке в М 1:500 с высотой сечения рельефа 0,5 м - 15 м.
При выполнении топографической съемки электронным тахеометром регистрация полевых измерений производится во внутреннюю память прибора с последующей передачей данных измерений на ком-
пьютер для обработки в программном комплексе СРЕйО_йАТ.
Достоверность отображения пересекаемых трассами коммуникаций согласовывались с эксплуатирующими организациями.
В процессе выполнения полевых работ и по их окончании произведена обработка полевых материалов, которую можно разделить на три этапа.
На первом этапе (как правило, выполняется в полевых условиях):
1) производится обработка, уравнивание и составление каталога опорных пунктов планово-высотного обоснования, при применении спутниковых технологий при помощи программы ТОО версии 1.69, при наземных измерениях при помощи программы СРЕйО_йАТ [6,11];
2) на основе данных опорных пунктов производится обработка, уравнивание планово-высотных съемочных сетей при помощи программы СРЕ-йО_йАТ, в результате чего составляются каталоги, обрабатывается и передается в СРЕйО-Топоплан для составления цифровой модели местности;
На втором этапе (в камеральной группе) на основе полевых данных и полученных на первом этапе выполняется:
1) в СРЕйО-Топоплан формируется топографический план в «реальных» координатах в масштабе 1мм плана равен 1м местности, во вкладе Лист формируется чертеж требуемого масштаба, вычерченный условными знаками для данного масштаба;
2) топографические планы прохождения трасс вычерчиваются в масштабе 1:2000, переходы - в масштабе 1:1000;
3) во всех чертежах обязательно присутствует модель поверхности, представленная в виде сети,
построенной при помощи 3й граней, при построении которой задействуются все точки рельефа местности;
4) элементы топографического плана по тематике разносятся по слоям;
5) для отчета также составляются: обзорная схема, ситуационный план, схемы планово-высотного обоснования, схемы закрепления трассы, ведомости пересечений и угодий, каталог координат и высот, каталог координат поворотных углов границы участка.
Стандартная схема обработки геодезических данных в СРЕйО_йАТ приведена на рис. 1 [8].
На первом шаге начальные установки включают следующие параметры: наименование ведомства и организации, описание системы координат и высот, используемых при производстве геодезических работ, настройку стандартных классификаторов, задание единиц измерений и других исходных настроек (или метаданных геодезических измерений). Как правило, на втором шаге создается проект с указанием его свойств, то есть параметров, присущих каждому отдельному проекту. На шаге импорта данных или ввода и редактирования данных система обеспечивает возможность комбинировать способы подготовки данных: импортировать данные по шаблону из текстовых файлов, импортировать измерения из файлов электронных регистраторов (приборов), вводить данные через табличные редакторы и т.д. Предварительная обработка измерений является обязательным подготовительным шагом перед уравниванием. Любые изменения проекта не будут учтены при уравнивании, если не выполнена предобработка. И наконец, уравнивание координат пунктов планово-высотного обоснования. Следует обращать особое внимание на настройки параметров уравнивания и априорную точность измерений, которые существенно влияют на качество уравнивания, особенно при совместном уравнивании разнородных сетей.
Начальные установки
Импорт данных
Предварительная обработка измерений
Создание проекта
Ввод и редактирование данных
Уравнивание координат пунктов планово-высотного обоснования
Рис. 1. Стандартная схема обработки геодезических данных в ОНЕйОйАТ
К метаданным геодезических измерений относятся классификатор условных знаков, система координат и высот, цвета, шрифты, наименование ведомства и организации, единицы измерения, точность представления данных. Классификатор - это совокупность описания слоев карты, видов объектов и их условных знаков, видов семантических характеристик и принимаемых ими значений, представленных в цифровом виде [1]. Если проект содержит топографические объекты, то их описание базируется на данных классификатора. При создании цифровых инженерно-топографических планов и карт, банков инженерно-геодезических данных, геоинформационных систем (ГИС) поселений и предприятий, а также при других процессах автоматизированной обработки результатов инженерно-геодезических изысканий должны использоваться утвержденные в установленном порядке классификаторы единой системы классификации и кодирования топографической и картографической информации «Классификатор топографической информации».
Результаты исследования и их обсуждение
Проектирование. Качественное производство изысканий закладывается на стадии проектирования топографо-геодезических работ. Для развития планово-высотного обоснования специалист в системе CREDO_DAT проектирует положение будущих пунктов, оценивает их точность, оптимизирует схему и методику измерения в проектируемой сети. Существующие картографические материалы или аэрофотоснимки могут использоваться при проектировании сетей в качестве подложки.
Ввод и предварительная обработка полевых измерений. Технологическая линия CREDO позволяет специалисту ввести и обработать любые виды полевых измерений - как рукописные полевые журналы, так и материалы регистраторов электронных приборов. В полевых журналах фиксируются измерения, полученные с применением традиционных инструментов: теодолитов, нивелиров, светодальномеров, рулеток. Эти материалы в простой и удобной табличной форме вводятся в системе CREDO_DAT. Одновременно с этим система импортирует результаты полевых измерений, выполненных при помощи современных электронных тахеометров любых фирм-производителей, таких как Sokkia, Nikon, Geodimeter, Leica, Topcon, Zeiss, УОМЗ и других.
Наличие электронных регистраторов в тахеометрах позволяет автоматизировать процесс съемки. В регистраторе фиксируются не только данные измерений - расстояния и углы, но и характеристики точек (коды и условия связей - соединений линий). Таким образом, с использованием системы полевого кодирования ведется "электронный абрис" съемки, фиксируются снимаемые топографические объекты. После ввода "сырых" измерений в системе CREDO_DAT выполняется их предварительная обработка - вводятся необходимые поправки, рассчитываются предварительные координаты пунктов, оцениваются и выводятся в протокол нарушения нормативных допусков.
В процессе предобработки выполняются следующие действия:
- расчет направлений, горизонтальных проло-жений и превышений на основе средних значений отсчетов измерений, контроль соблюдения инструктивных допусков, установленных для соответствующих классов;
- вычисление вертикальных углов и превышений;
- учет поправок за атмосферное влияние, ком-парирование, за кривизну Земли и рефракцию, за редуцирование линий и направление на плоскость в выбранной проекции, за редуцирование на уровенную поверхность относимости;
- формирование векторов измерений, то есть редуцированных значений длин, направлений и превышений, подлежащих уравниванию;
- расчет предварительных координат пунктов;
- отображение в графическом окне схемы планово-высотного обоснования, тахеометрической съемки, топографических объектов и других элементов проекта;
- распознавание избыточных измерений и формирование топологии сети обоснования. Определение статуса координат пунктов;
- распознавание теодолитных и нивелирных ходов;
- формирование необходимых промежуточных протоколов и отчетных документов.
- по результатам предварительной обработки создаются следующие выходные документы:
- ведомость предобработки (рис. 2) для каждой станции и пункта наведения планово-высотного обоснования (включая теодолитные ходы), которая содержит усредненные значения расстояний, направлений и класс точности измерения;
- ведомость линий и превышений (рис. 3) для каждой станции и пункта наведения планово-высотного обоснования (включая теодолитные ходы); содержит значения расстояний и превышений в прямом и обратном направлении, их средние значения и среднеквадратические ошибки.
В CREDO_DAT реализована технология поиска, локализации и нейтрализации грубых ошибок в сетях геодезической опоры. Она включает три основных метода:
- L1-анализ: уравнивание с минимизацией L1-нормы поправок;
- метод трассирования;
- выборочное отключение.
Рекомендуется поэтапное применение каждого из
этих методов. Как правило, поиск начинается с выполнения L1-анализа, что в лучшем случае позволяет сразу установить источник ошибки, в худшем - локализовать ход или участок сети, содержащие ошибочные измерения. Затем при необходимости подозрительные измерения анализируются с помощью методов трассирования и выборочного отключения.
При обнаружении программой поправок в измерениях, превышающих установленные в настройках параметры анализа, на экран выводится сообщение об
Рис. 2. Пример ведомости предварительной обработки
Линия Горизонт. |_ ср. Превышение ЙИ, И ср.
проложение |Щ_ т11
1 2 3 4 5 о 7
ВУ.1746 - 9 59.702 0.000 59.702 0.000 -1.189
>> -1.189
ву.17че ■ 11 >> 62.781 0.000 02.781 0.000 -0.279
-0.279
ВУ.1746 - 8 >> 47.032 0.000 47.032 0.000 -1.019
>> -1.019
ВУ.1746 - Вр.1740 64.917 0.000 04.917 0.000 -0.107
>> -0.167
ВУ.1746 ■ Т.1747 >> 147.103 0.004 147.101 ■0.029 -0.730
147.000
>> -0.744
<< -0.715
ВУ.1746 - 15 73.024 0.000 73.024 0.000 -0.229
>> -0.229
Рис. 3. Пример ведомости линий и превышений
обнаружении грубых ошибок в плановых и/или высотных измерениях. Одновременно формируются необходимые отчеты:
- ведомость Ц-анализа (сеть) содержит поправки в углы и линии, выходящие за пределы, установленные в настройке параметров анализа;
- ведомость Ц-анализа (по ходам) аналогична по содержанию ведомости для сети, с той лишь разницей, что поправки сгруппированы по теодолитным ходам;
- ведомость Ц-анализа (нивелирование) содержит поправки в превышения, выходящие за пределы, установленные в настройке параметров анализа.
Уравнивание. Избавившись от грубых ошибок, геодезист выполняет уравнивание теодолитных и нивелирных ходов, сетей планово-высотного обоснования. Система CREDO_DAT автоматически распознает и разделяет данные по типам измерений, формирует связи сети. Формирование данных для уравнивания проводится для всех типов и методик создания плановых геодезических сетей, сетей геометрического нивелирования И-М классов, а также технического и тригонометрического нивелирования.
В СРЕйО_йАТ реализовано совместное уравнивание линейных и угловых измерений, отличающихся
по классам точности, топологии и технологии построения. Уравнивание проводится параметрическим способом по критерию минимизации суммы квадратов поправок в измерения.
Каждый параметр векторов измерений (направление, горизонтальное проложение и превышение), а также каждый дирекционный угол, образует одно уравнение в системе уравнений поправок. Система уравнений поправок решается под условием минимума суммы квадратов поправок в измерения с учетом весов измерений:
- учет точности измерений разных классов при совместном уравнении измерений разных классов;
- согласованность уравнений, соответствующих измерениям разных типов (угловым и линейным);
- совместное уравнивание измерений в сетях, включающих как участки ходов, так и участки линейно-угловых построений.
Для решения системы уравнений поправок используется итерационный алгоритм. На каждой итерации вычисляются поправки в координаты пунктов, затем коэффициенты уравнений рассчитываются заново, и процесс повторяется. Алгоритм заканчивает работу, если выполняется одно из условий:
- процесс прерван пользователем;
- среднеквадратическое значение поправок в координаты в очередной итерации не превосходит значения погрешности планового уравнивания, заданного в панели настройки параметров уравнивания;
- число итераций превышает максимально допустимое значение, установленное в той же панели;
- среднеквадратическое значение поправок увеличивается от итерации к итерации (процесс расходится). Это означает, что в данных присутствует грубая ошибка измерений, которую необходимо локализовать и устранить. Затем процедуру уравнивания можно повторить.
Для графического представления точности высотного уравнивания вокруг каждого пункта, уравненного по высоте, отображается окружность с радиусом, равным среднеквадратической ошибке вычисления абсолютной отметки.
По результатам уравнивания формируются следующие выходные документы:
- каталог ПВО - содержит координаты уравненных пунктов, линии и дирекционные углы сторон сети планово-высотного обоснования;
- ведомость координат - содержит координаты и абсолютные отметки всех пунктов планово-высотного обоснования и тахеометрической съемки;
- ведомость оценки точности положения пунктов - содержит среднеквадратические ошибки планового и высотного положения пунктов сети, а также размеры и углы наклона полуосей эллипсов ошибок;
- ведомость оценки точности сети - содержит оценку точности измерений планового обоснования, включая среднеквадратические ошибки измерений углов, линий и превышений;
- ведомость поправок - содержит вычисленные по результатам уравнивания поправки в направления, горизонтальные проложения и превышение сторон сети планово-высотного обоснования;
- ведомость теодолитных ходов - содержит описание расчетных теодолитных ходов, включая координаты пунктов, измеренные углы и длины сторон, а также дирекционные углы и длины сторон, вычисленные по результатам уравнивания;
- характеристики теодолитных ходов - включают вычисленные по результатам уравнивания невязки
расчетных теодолитных ходов;
- ведомость нивелирных ходов - содержит описание расчетных ходов геометрического нивелирования;
- характеристики нивелирных ходов - включают вычисленные по результатам уравнивания невязки расчетных нивелирных ходов;
- ведомость тригонометрического нивелирования - содержит измеренные и уравненные значения превышений в ходах тригонометрического нивелирования;
- характеристики ходов тригонометрического нивелирования - включают вычисленные по результатам уравнивания невязки расчетных ходов тригонометрического нивелирования.
Обработка данных съемки. При обработке съемки как традиционной тахеометрической, так и выполненной электронными тахеометрами одновременно формируется семантика топографических объектов. Топографические объекты создаются по данным полевого кодирования с использованием классификатора, который легко настраивается пользователем. При этом топогеодезическая информация распределяется по слоям классификатора. При производстве работ можно использовать несколько одинаковых по структуре данных, но разных по содержанию классификаторов в зависимости от назначения топографо-геодезических работ, вида инженерных изысканий. Такая возможность позволяет создавать компактные, удобные для полевых работ классификаторы и наборы кодов.
Заключение
Современные подходы к качеству проектирования и оперативности принятия проектных решений требуют применения высокоэффективных технологий на всех стадиях создания проекта, включая все этапы инженерно-геодезических изысканий. Таким образом, два основных момента определяют эти подходы:
- необходимость вариантного проектирования с быстрой детальной проработкой, экономической и экологической оценкой вариантов проектных решений;
- организация сквозной технологии проектирования на основе единого набора данных для всех элементов технологического цикла и разделов проекта от изысканий до проекта.
Библиографический список
1. ГИС Панорама. Режим доступа: [http://www.gisinfo.ru].
2. Журкин И.Г., Шайтура С.В. Геоинформационные системы: учебное пособие. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. 272 с.
3. Инструкция по съемке ситуации и рельефа с применением ГЛОНАСС и GPS ГКИНП 02-262-02, ОНТА 02-262-02. М.: ЦНИИГАиК, 2002.
4. Инструкция по топографической съёмке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500 ГКИНП-02-033-82. М.: Недра, 1982.
5. Карпик А.П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий: монография. Новосибирск: СГГА, 2004. 260 с
6. Кредо- Диалог. Режим доступа: [http://www.credo-dialogue.com].
7. Об использовании тахеометров при крупномасштабной съемке: письмо Роскартографии ФС ГиК России от 27.11.2001 г. № 6-02-3469.
8. Программный комплекс обработки инженерных изысканий, цифрового моделирования местности, проектирование генпланов и автомобильных дорог. Credo_dat 3.xx. Практическое пособие. СП «Кредо-Диалог». Минск, 2006. 67 с.
9. Соболева Е.Л., Архипова О.Б. Исследование возможностей геоинженерных САПР // Материалы конгресса «Гео-Сибирь-2010». Новосибирск: СГГА, 2010. С.42-45.
10. СП 11-104-97 Инженерно-геодезические изыскания для строительства. М.: Госстрой России, 1998.
11. Trimble Geomatics Office (TGO) v1.69. Режим доступа: [http://www.trimble.com/].
