CC BY
62
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ КООРДИНАТ
УРОВЕННЫХ ПОСТОВ УЗБЕКИСТАНА Мирмахмудов Э.Р. Email: Mirmakhmudov1168@scientifictext.ru
Мирмахмудов Эркин Рахимжанович - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра геодезии и геоинформатики, Национальный университет Узбекистана, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация: целью данной работы является предварительный анализ точности координат уровенных постов на основе ГНСС измерений. В статье рассматривается внедрение новых методов геодезических измерений для прибрежных зон Узбекистана. Отмечается ряд проблем, связанных с регистрацией уровня реки и техническим оснащением. Для тестовых измерений были использованы гидрологические станции "Чиназ" и "Джумашуй". Выполнен дисперсионный анализ вычисленных координат и описан критерий оценки точности измеренных величин с учетом временных интервалов. Построен график изменения топоцентрических координат в зависимости от количества наблюдений. Предлагается использовать спутниковую альтиметрию и ГНСС измерения для всех гидрологических постов. Ключевые слова: ГНСС, уровенный пост, точность, дисперсия.
PRELIMINARY ANALYSIS OF ACCURACY OF LEVEL POSTS COORDINATES OF UZBEKISTAN Mirmakhmudov E.R.
Mirmakhmudov Erkin Rakhimjanovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences,
Associate Professor, GEODESY AND GEOINFORMATICS DEPARTMENT, NATIONAL UNIVERSITY UZBEKISTAN, TASHKENT, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the aim of this work is to analyze the accuracy of the coordinates of level posts based on GNSS measurements. The article discusses new methods of geodetic measurements for the coastal zones of Uzbekistan. Some of problems are noted related to river level registration and technical equipment. For test measurements, the hydrological stations "Chinaz" and "Jumashuy" were used. A variance analysis of the calculated coordinates and a criterion for assessing the accuracy of measured values taking into account time intervals is described. A graph of the change in topographic coordinates depending on the number of observations is constructed. It is proposed to use satellite altimetry and GNSS measurements in all hydrological posts. Keywords: GNSS, level posts, accuracy, variance.
УДК 528.063+556.042
Введение. В последнее время к определению уровня рек с помощью спутниковой альтиметрии и глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) проявляется повышенный интерес, а также с поиском оптимального расходования водных ресурсов. Для решения прикладных задач в области проектирования и строительства различных гидротехнических сооружений в прибрежных зонах и мониторинга экологического состояния речных бассейнов Узбекистана нужно иметь сведения о гидрологических характеристиках рек. Эти данные более точно и быстро можно получить методами дистанционного зондирования Земли и спутникового позиционирования. Внедрение новых технологий особенно важно в тех местах, где потребление воды для ирригации и мелиорации имеет первостепенное значение на фоне уменьшения водного баланса. Существующая классическая сеть гидрологических станций требует полной модернизации и реконструкции, т.к. возросли требования к измерениям и точности. Обычно к уровенным
постам предъявляются особые требования, как по установке, так и по точности определения координат [1, 2].
До начала 90-х годов прошлого столетия координаты пунктов на поверхности и в прибрежной зоне определялись методами триангуляции и нивелирования. Определение высотной отметки нуля поста относительно среднего многолетнего уровня на основном посту производилось методами геометрического или гидростатического нивелирования [3]. Необходимым условием этих измерений было планово-высотная привязка к пунктам геодезической сети, которые являются исходными данными картографической проекции топографических карт. С течением времени математическая основа карт изменилась из-за глобальных и локальных тектонических смещений плит, что говорит о необходимости пересмотра существующей системы координат.
После использования GPS приемников в геодезии и картографии возникла идея использования их для гидрографических работ [4]. В связи с этим появился ряд нерешенных технических проблем: уточнение высот реперов, полученных в Балтийской системе высот; преобразование классических координат в общеземную систему; отсутствие нормативно-технической документации по эксплуатации ГНСС для прибрежных зон.
Данная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы, проводимой кафедрой геодезии и геоинформатики национального университета Узбекистана и с целью сбора информации для повышения уровня знаний студентов по предметам "Космическая геодезия" и "Глобальные навигационные спутниковые системы".
Методика измерений. Уровень основных рек Узбекистана определяется с помощью визуальных, механических или электронных средств, а географические координаты этих постов определяются теодолитным ходом, техническим нивелированием и с помощью топографических карт мелкого масштаба. Передача высот на реперы выполняется геодезическими подразделениями от ближайщих знаков государственного нивелирования с точностью не менее II класса [5]. В настоящее время не на всех постах работает самописец, причиной которых являетя превышение срока эксплуатации этих приборов и недостаточное финансирование этого важного направления. Замена классических регистраторов на современные не дали сушественных улучшений, т.к. эти новшества не были приспособлены к техническим и физико-географическим условиям. Поэтому на некоторых уровенных постах по-прежнему функционируют традиционные приборы. Несмотря на то, что основным индикатором уровня реки является отметка высоты нивелирной рейки, плановые координаты гидрологических реперов представляют важную роль при мониторинге локальных смещений береговой линии. Пространственные координаты реперов содержат параметры, связанные с геодинамикой прибрежной зоны. Определение вертикальных смещений гидрологических станций с использованием данных наблюдений зависит от поднятия и опускания грунта [6].
Если же инсталлирорвать GPS станции в прибрежной зоне, то точность координат реперов повысится на порядок, тем самым, увеличивается точность регистрации уровня рек. Естественно, такую наиважнейшую задачу можно осуществить при получении международного гранта или же определенного финансирования. Оптимальным решением является включение этих пунктов в международную систему мониторинга за уровнем рек и Аральского моря по программе ЮНЕСКО и ООН. Вопрос уточнения координат остается не решенной и требует кардинального решения, как в техническом аспекте, так и с практической точки зрения. Автор данной работы неоднократно выступал с презентацией на международных, европейских и республиканских научных конференциях по использованию космических систем для повышения точности координат гидрологических пунктов [7].
В качестве тестовых измерений были выбраны основные и рабочие репера уровенных постов "Чиназ" и "Джумашуй" главного управления гидрометеорологического службы (ГУГМС). В 2019 году сотрудниками кафедры геодезии и геоинформатики выполнены ГНСС измерения с помощью навигационного прибора GNSS TRIMBLE R4 и мобильного навигатора. Во время измерения геодезического пункта основной показатель точности DOP не удовлетворял условиям приема сигналов со спутника из-за влияния внешних факторов
115
[8]. Однако при измерении основного и рабочего репера показатель точности получился хорошим, хотя вблизи находились ЛЭП и жилые пристройки (Рис.1). Для контроля полученных результатов было выполнено геометрическое нивелирование между основным и рабочим реперами с помощью оптического нивелира Nikon AC-2S. Согласно инструкции по построению гидрологических станций, в окрестности всех станций обязательно должны быть пункты триангуляции или нивелирования II класса. Вблизи поста "Чиназ" был установлен геодезический пункт государственного института инженерно-технических изысканий (ныне УзГАШЛИТИ). Следует отметить, что ортометрические высоты реперов №7,8 (Джумашуй) и № 1659 (Чиназ) были определены нивелированием 3-4 класса много лет назад, что говорит о целесообразности уточнения координат.
Рис. 1. Схема реперов гидрологического поста "Чиназ"
Анализ и вывод. По результатам измерений получены координаты в картографической проекции Гаусса-Крюгера, и высоты относительно WGS84 с помощью программного обеспечения (ПО), встроенного в GNSS TRIMBLE R4 (Табл. 1). ПО позволяет произвести преобразование координат при отсутствии наклона осей между системами координат.
Выполнен дисперсионный анализ на наличие отклонения координат от вычисленного среднего значения. Дисперсия как одна из важнейших числовых характеристик измеренной величины дает возможность оценить разброс вычисленных координат вокруг среднего значения [9]. Среднее значение не всегда дает хороший результат при оценке разброса, т.к. результаты измерений или вычислений сильно сглаживаются и большие отклонения становятся мало ощутимыми, особенно при значительном числе геодезических измерений. Поскольку наблюдения выполнены на определенном интервале времени, то в рассматриваемом случае используется распределение Стьюдента, который с увеличением числа измерений стремится к закону нормального распределения. Для определения необходимого числа измерений следует использовать закон больших чисел или теорему Лапласа [10].
Таблица 1. Координаты гидрологических постов "Чиназ" и "Джумашуй"
дата пункты Х(г-к) Y(r-K) Н посты
29.10.19 осн. 4531887.386 473210.284 210.3 чиназ
29.10.19 конт. 4531875.070 473175.394 210.4 чиназ
07.12.19 осн. 4531887.796 473210.031 213.2 чиназ
07.12.19 рабоч. 4531900.344 473175.622 210.7 чиназ
07.12.19 геод. 4531830.942 473382.010 203.8 чиназ
07.12.19 конт. 4531894.700 473114.450 210.4 чиназ
21.11.19 осн. 4530602.470 705955.260 334.2 джум.
21.11.19 рабоч. 4530754.710 705967.520 375.4 джум.
21.11.19 рейки 4530774.260 705984.640 366.9 Джум.
В соответствии с законом больших чисел, чем выше точность, тем теснее группируются погрешности около нулевого значения. Значение точности вычислено по формуле Бесселя при условии, что все результаты получены в одинаковых климатических условиях:
От = ±
[ С х I х ср ) ]
аналогично вычисляются ошибки ау и он, где - измеренные величины, полученные с помощью ГНСС, хср- среднее значение измеренных величин (математическое ожидание), п -количество измерений, г - количество определяемых величин. Для репера "Чиназ" средняя квадратическая ошибка прямоугольных координат в проекции Гаусса-Крюгера получилась: сх = ± 0.12м, Су = ± 0.04м, а11 = ± 0.09м (рис.2) Величина ошибки по координате "х" получилась выше, чем по остальным координатам, что является недопустимой в соответствии с теорией математической обработки геодезических измерений. Видимо, следует произвести повторные наблюдения для выявления грубых измерений.
Рис. 2. Изменение координат пункта "Чиназ" по осямХ, У, Н
Анализ данных показывает, что величина отклонения с течением времени имеет определенный линейный тренд для трех составляющих. Это обусловлено зависимостью количества наблюдений от величины дисперсии, принятой на начальном этапе обработки геодезических измерений. В будущем, навигационные измерения должны быть выполнены во всех гидрологических постах основных рек Узбекистана с привязкой к спутниковой геодезической сети (рис. 3).
Рис. 3. Схема ГНСС сети прибрежной зон рек Амударья и Сырдарья
Заключение
На основе вышеописанного можно сделать вывод, что результаты GPS измерений и исследования по повышению точности реперов дают основания к модернизации всех уровенных постов Узбекистана. Для организации постоянного мониторинга уровня рек с помощью ГНСС, систему геодезического обеспечения прибрежной зоны предлагается начать с анализа материалов классических измерений, рекогносцировки гидрологических постов. Реализацию предложенных рекомендаций невозможно без привлечения данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий. Использование новых методов исследования уровня рек приведет к снижению финансовых расходов и получению точных данных, что представляет практическую значимость и актуальность. Оценка числовых характеристик, полученных в результате обработки измеренных величин, будет полезна не только в гидрологических исследованиях, но и при инженерно-изыскательских работах прибрежной зоны.
Список литературы / References
1. Руководящий технический материал. Высотная привязка уровенных постов (ГКИНП 03 215 88).М.: ЦНИИГАиК, 1988. С. 41.
2. Шануров Г.А., Епишин В.И., Остроумов В.З. Определение высот уровенных постов спутниковым методом // Геопрофи, 2004. № 4. С. 11-17.
3. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. М.: Недра, 1974.
4. Остроумов В.3., Шануров Г.А., Масленников А.В. Повышение точности определения высот уровенных постов // Геодезия и картография, 2003. № 11. C. 25-29.
5. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. Вып. 9. Ч. 1.
6. Горячкин Ю.Н. Современные вертикальные движения земной коры на побережье Черного моря // Геология и полезные ископаемые Мирового океана, 2008. ISSN 19997566. С. 84-89.
7. Mirmakhmudov E., Toshonov B., Nazirova D. GNSS application for hydrology // The 6 EUPOS Council and Technical Meeting, Budapest, 2019.
8. Фирсов Ю.Г. Методы использования спутниковой аппаратуры, реализующей режим RTK для определения поправок за уровень // Эксплуатация морского транспорта, 2007. № 1. С. 21-26.
9. Большаков В.Д., Гайдаев П.А. Теория математической обработки геодезических измерений. М.: Недра, 1977. 368 с.
10. Унковский В.А. Теория вероятностей. М., 1953. 320 с.
