Что такое цифровая модель местности (ЦММ)

Где и для чего используется ЦММ

Цифровые модели служат дополнительным материалом для проектировщиков, дизайнеров, геодезистов. По ЦММ можно рассчитать оптимальные параметры при строительстве зданий и сооружений, разработать дизайн-проект городской застройки, визуализировать проектные решения.

Дистанционные способы получения информации о местности (сканирование и аэрофотосъемка) многократно упростили процедуру геодезической съемки участков земной поверхности. Сегодня производительность облета территории на беспилотном или пилотируемом самолете – несколько тысяч гектар в день. Моделирование в трехмерном виде сократило сроки и стоимость изыскательских работ.

Сферы применения цифровых моделей местности:

• Построение рельефа для топографических планов;
• Определение объемов открытых горных работ;
• Исполнительные BIM-модели уровня LOD-2;
• Визуализация проектных решений;
• Выбор оптимального пути линейного объекта;
• Мониторинг территории, путем сравнения двух ЦММ, выполненный в разное время;
• Определение точек установки городских видеокамер с исключением «мертвых» зон.

На сегодняшний день основной способ проектирования, связанный с земной поверхностью, основывается на цифровых моделях местности, рельефа и триангуляции на их базе. С помощью ЦММ можно заранее оценить возможные факторы риска при строительстве и других работах, избегая негативных последствий от возможного воздействия природных факторов.

Для чего нужна ЦММ?

Невозможно исследовать каждый сантиметр территории при больших масштабах. Поэтому приходится определять значения неизведанного пространства по соседствующим дискретным данным с помощью применения математических методов. ЦММ отражает гипотетические сведения о том или ином участке поверхности. Также учитываются его геопространственные координаты, характеристики и возможные реакции на то или иное воздействие.

Виды ЦММ

Информация о полигоне будущих работ в зависимости от поставленных задач может быть представлена в следующих видах.

• Колоризованного плотного облака точек
• Многоуровневые тайловые модели.
• Сетки GRID.

Полноценная деятельность современных инженеров, застройщиков, проектировщиков при разработке планов градостроительства и освоения территорий невозможна без ЦММ — исчерпывающей высокоточной базы данных о ландшафтных условиях интересующего полигона будущих работ.

Кроме анализа поверхности рельефа, цифровое представление может использоваться для:

• BIM-проектирования;
• Быстрого построения карт (крутизны, экспозиции склонов, др.);
• Вертикальной планировки участка по заданным параметрам;
• Генерации горизонталей;
• Разработки рациональных вариантов строительства здания, сооружения;
• Осуществления расчета площадей и объемов земляных работ;
• Детального анализа экспозиции и уклонов склонов;
• Построения гидросетей;
• Представления, анализа полученных данных в 3-х измерениях;
• Анализа зон видимости и т.д.

Инженерная цифровая модель местности может понадобится для картографирования и обустройства площадки при проектировании ландшафтного дизайна. Также применяться при проектировании зданий, автомобильных дорог, магистралей, развязок. Для решения задач по охране территории, проведения научных исследований.

Трехмерные 3D цифровые модели рельефа и местности (ЦМР и ЦММ): что это такое

Англоязычный термин – Digital Elevation Model (DEM) или Digital Terrain Model (DTM). Моделирование представляет собой создание растрового образца или топографической карты местности, выполненной в виде мелких ячеек – сети. Она образована массой дискретных чисел, координат, которые определяют местонахождение важных объектов, в том числе рек, возвышенностей и пр.

Такой метод используется в картографии. Он позволяет восстанавливать порядок чисел на тех участках, которые не были досконально исследованы. Это делается с помощью двух процедур:

• интерполирование – величины ищутся по уже известным показателям;
• экстраполирование – значение находится не в заданном интервале, а в определенной точке.

Во втором случае применяется также формула, которая обуславливает построение цифровой модели рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ).

Для работы с такими растрами используется технология ГИС. Это требуется как для природно-охранительных мероприятий, так и для сельскохозяйственных нужд. Кроме того, с появлением и развитием электронных онлайн-карт, навигаторов, способами DEM заполняются неизведанные пустоты на территории.

Топографическая информация об уже известных точках получается путем исследований на местности, а также благодаря спутникам. На участке проводятся следующие инженерные изыскания:

• геодезические;
• гидрометеорологические;
• геологические;
• экологические;
• геотехнические;
• геофизические.

Все они проводятся с занесением всех данных в предпроектную документацию. Исследователи-геодезисты предпочитают использовать для работы компьютерную программу Geonium. Она автоматизирует все изыскательные работы, делает выпуск всех чертежей в соответствии с регулярно обновляющимися нормами. Софт содержит 6 модулей, которые в комплексе позволяют создать подробную топографическую карту с нанесением сечений, размеров.

Цифровая модель рельефа местности представляет собой результат сложения всех работ на местности и дистанционного зондирования. Он их достоверности зависит правильность выстраиваемого объекта.

Как получают данные для построения ЦММ

Для создания цифровой модели полигона необходим большой объем информации о месторасположении характерных точек всех объектов, расположенных на территории. Это их координаты, высоты, цвет. В настоящее время сбор информации ведется с воздуха или с наземных сканеров – это практичная, быстрая и точная съемка местности с использованием летательных аппаратов. Собранный массив насчитает миллионы и миллиарды точек, собранные данные обрабатывается в специальном программном комплексе. В результате можно получить точную цифровую модель местности в течение нескольких часов.

В зависимости от целей, совокупность данных может быть представлена в формате:

• Модели рельефа цифровой (ЦМР). Содержит информацию о рельефе территории. Она представлена набором точек с известными координатами, высотами. Также отображаются связи между ними, способы определения высот новых точек по заданным плановым отметкам.
• Цифровой модели контуров (ЦМК). Содержит данные о характеристиках и плановом положении объектов, связях между ними.

Цифровая модель рельефа местности одновременно содержит плановые координаты и высоты Н, а во втором случае задействованы только плановые высотные координаты Х, Y.

Построение цифровой модели местности

При проектных аналитических работах эффективно использовать ЦММ. В этом случае моделирование осуществляется на базе топографических карт.

С целью прогнозирования информации о рельефе на исследуемом участке и построения модели используют математические методы:

• Принципы триангуляции Делоне;
• Интерполирование;
• Метод обратных взвешенных расстояний;
• Cплайн-интерполяция;
• Тренд-интерполяция, а также различные формулы, закономерности.

Расположение точек на сетке

Модель обычно представлена в двух или трех координатах. Классические карты содержат только две линии, они определяются соответственно по функциям: Z=f(X, Y), где координаты X, Y – это горизонтальное и вертикальное расположение единиц. Им характерны различные значения, их может быть настолько много, насколько качественно проведены исследования – температура в различные периоды, влажность, давление, расположение над уровнем моря, почвенные показатели, уровень грунтовых вод и многое другое.

Когда появляется третья величина, говорят о создании объемной цифровой модели местности – 3D ЦММ. Такое моделирование можно проводить исключительно на компьютерной платформе, которая поддерживает трехмерное проектирование, например, ZWCAD.

Расположение координат зависит от способа получения данных – более подробные и менее. Как могут располагаться точки:

• Регулярно, часто на квадратных, треугольных или шестиугольных ячейках – если были проведены исследования с помощью тахеометрической съемки или нивелирования.
• Линейно, когда значения могут распределяться по одной прямой – если были проведены картометрические изыскания.
• Разбросано (изолинейно). Такие узоры получаются при особенностях рельефа.

В зависимости от этого используются такие типы интерполяции цифровых моделей рельефа:

• кусочная полиномиальная;
• сплайновая;
• способ порций Кунса;
• применение ортогональных и неортогональных полиномов, рядов Фурье;
• скользящее взвешенное осреднение и пр.

Подробность и адекватность результатов зависят не только от способа построения формул, но и от размера ячеек. Если берутся крупные шестигранники или четырехугольники, то вероятность достоверности минимальна.

Если есть возможности укрупнить изображение и взять за единицу минимальный отрезок, то точность ЦМР повысится. Но для сверки обычно используют реальный взгляд на топографию местности.

Виды структур для представления поверхности цифровой модели рельефа местности

TIN

TriangulatedIrregularNetwork – это неровность, которая состоит из непрерывающих связь треугольников. Так ребро каждого элемента – это часть соседствующей фигуры. Вершины каждого пазла – точки координат с известным значением. Они соединяются не линейно, а по принципу триангуляции Делоне. Для этого через вершины проходят окружности, а ребра ставятся по соответствующим точкам пересекающихся кругов.

Минусом является возможная погрешность из-за неполных данных. Но несомненный плюс такой модели в том, что исследования не содержат изменений исходных значений. Также это самый быстрый способ интерполирования. Раньше все ГИС работали по такому принципу, сейчас более популярным становится следующий.

GRID

Дословный перевод с английского – сетка. Она действительно представляет собой сеть со значением высот. Матрица преобразует, интерполирует исходные значения, заполняя полученными результатами ячейки. Особенность системы в том, что показатели могут бесконечно преобразовываться и уточняться, в зависимости от приближения.

Выбор интервала между точками зависит от местности. На территории с низким уровнем пересеченности (равнины) работа с цифровой моделью рельефа имеет укрупненный шаг. В то время как для показателя неровности – холмы,овраги, водоемы – используются частотные полосы с минимальным отступом координат друг от друга.

TGRID

Triangulatedgrid – сетка сочетает принципы двух предыдущих программ. Основное преимущество в том, что такая технология идеально подходит для описания сложных топографических карт, мест с трудным рельефом. Математические вычисления помогают предугадывать, на первый взгляд неожиданные, изменения поверхности, такие как валуны и небольшие впадины. Используется не один, а несколько методов интерполяции:

• линейная;
• метод обратных взвешенных расстояний;
• кригинг;
• сплайнинтерполяция;
• трендинтерполяция.

Так, кроме формул и закономерностей, появляются статистические данные, которые учитывают возможность непредвиденного появления неровностей.

1 Область применения

1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на цифровые модели местности.
Стандарт устанавливает основные требования к содержанию и представлению пространственных данных в составе цифровых моделей местности (далее — ЦММ), общие требования к процессу их создания и обновления, а также требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению.
Стандарт предназначен для применения учреждениями, организациями и предприятиями независимо от форм собственности и подчинения, которые занимаются созданием и применением цифровых моделей местности, организацией баз и банков пространственных данных.

Виды цифровых моделей местности

Информация об участке, представленная в цифровом виде, удобна для представления, хранения, обработки.

Как происходит цифровое моделирование местности?

Цифровая модель рельефа получается на основе точных данных о местности. Традиционно ЦММ предварительно необходимо было проводить при помощи геодезической съемки, включающей в себя работу огромного количества специалистов, особенно, если речь шла о крупных территориях. За счет этого процедура была не только дорогостоящей, но и отнимала много времени, замедляя, тем самым, общий ход работ.

Сегодня для сбора информации используются беспилотники. Этот метод позволяет в разы ускорить подготовку и проведения съемки и получить достаточные данные для построения цифровой модели местности. Мы проводим работы в несколько основных этапов:

1. Получение данных от клиента. Нам необходимо понимать цель создания цифровой модели местности и рельефа, знать расположение объекта, его размер. Все это поможет специалистам SlySky сразу сориентировать вас по стоимости и срокам, а также быстрее спланировать предстоящие работы.
2. Планирование. В зависимости от величины территории и другой информации об объекте, мы подбираем необходимые беспилотники и прочее оборудование, составляем карту полетов, назначаем день съемки.
3. Аэросъемка. В день съемки для начала мы расставляем необходимое количество точек привязки, после чего квадрокоптер пролетает по продуманному заранее маршруту.
4. Обработка материалов. Все полученные материалы передаются специалистам, которые разрабатывают на их основе цифровую модель рельефа, используя профессиональное программное обеспечение.
5. Материал выдается заказчику. Мы передаем результат работ в удобном вам формате.

Технология построения цифровых моделей

Методом аэросъемки

Исходными данными, полученными в процессе аэрофотосъемки с БПЛА, являются фотографии и данные об их местоположении в момент спуска затвора камеры. Изображения сохраняются в формат RAW-файлов. Затем производится их обработка с применением специального ПО в несколько этапов.

• Пространственная привязка снимков, чтобы программы для фотограмметрической обработки смогли с ними работать. В результате получается таблица с указанием номера фотографии и координат.
• Загрузка данных в программу, выравнивание (определение положения и ориентировки камеры для каждого кадра).
• Расстановка опорных точек, которые используются для точной пространственной привязки ЦММ. В качестве опознавательных знаков специалисты раскладывают и координируют характерные элементы в виде крестов или используют существующую разметку на земле.
• l Построение плотного облака точек, карты высот, ортофотоплана и тайловой модели.

В результате фотограмметрической обработки данных получаются ЦММ с пространственным разрешением от 1 см на пиксель, в зависимости от необходимой точности.

Методом лазерного сканирования

Сканирующие системы имеют преимущество перед аэрофотосъемочной методикой в плотности облака точек. Их используют для создания трехмерных моделей застроенной, залесенной области изысканий. В отличие от воздушного лазерного сканирования (ВЛС), аэрофотосъемка не сможет собрать отметки рельефа в густом лесу. Точность отражения импульса позволяет укладываться в погрешность 2-3 мм по высоте, что значительно точнее АФС.

Текст ГОСТ Р 52440-2005 Модели местности цифровые. Общие требования

ГОСТ Р 52440-2005
Группа Т43
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ ЦИФРОВЫЕ

Общие требования

Digital terrain models. General requirements
ОКС 07.040

Дата введения 2006-07-01
Предисловие
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»
Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Государственный научно-внедренческий центр геоинформационных систем и технологий» (ФГУП «ГОСГИСЦЕНТР») и Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении» (ВНИИНМАШ)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 394 «Географическая информация/геоматика»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 декабря 2005 г. N 425-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р ИСО 19113-2003 Географическая информация. Принципы оценки качества
ГОСТ Р 51605-2000 Карты цифровые топографические. Общие требования
ГОСТ Р 51606-2000 Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования
ГОСТ Р 51607-2000 Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования
ГОСТ Р 52438-2005 Географические информационные системы. Термины и определения
ГОСТ Р 52439-2005 Модели местности цифровые. Каталог объектов местности. Требования к составу
ГОСТ 28441-99 Картография цифровая. Термины и определения
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

4 Общие положения

4.1 ЦММ входят составной частью в информационное обеспечение географических информационных систем, систем автоматизированного создания и ведения кадастров различного назначения, систем навигации и позиционирования.
В указанных системах ЦММ служат картографической основой для пространственной привязки баз тематических данных, получаемых в результате проведения инженерных изысканий, земельно-кадастровых работ, межевания земель, статистических исследований, иных специальных работ и обследований.

4.2 Для формирования ЦММ используют методы и средства, обеспечивающие создание таких пространственных данных, которые обеспечивают соответствие модели требованиям настоящего стандарта.
Предпочтительными методами и средствами являются:
— цифровая фотограмметрическая обработка материалов аэросъемки и космической съемки;
— цифровая обработка материалов наземной автоматизированной топографической съемки;
— цифрование картографических материалов;
— автоматизированная генерализация топографической информации для создания ЦММ мелких масштабов из ЦММ более крупных масштабов.
Примечание — При создании ЦММ методом цифрования следует учитывать, что в общем случае точность модели будет ниже точности исходного материала. Поэтому наиболее перспективное применение метода цифрования сопряжено с созданием ЦММ более мелких масштабов, чем масштаб исходных данных.

4.3 При создании конкретной ЦММ могут быть использованы любые материалы и данные, обладающие требуемыми достоверностью, современностью и точностью, в том числе материалы и данные Федерального картографо-геодезического фонда, автоматизированного Государственного каталога географических названий России, справочно-информационных систем других ведомств.

4.4 Оценка качества пространственных данных осуществляется на этапах жизненного цикла ЦММ путем контроля качества:
— исходных данных, используемых для создания или обновления ЦММ;
— в процессе создания или обновления ЦММ;
— после завершения процесса создания или обновления ЦММ;
— в процессе преобразования ЦММ с учетом требований пользователя.

4.5 Для поддержания ЦММ в соответствии с современным состоянием местности они должны обновляться:
— оперативно (топографический мониторинг) — на особо важные районы, а также на районы интенсивного развития (города, населенные пункты, зоны жилищного строительства, места освоения полезных ископаемых, участки строительства дорог и линейных сооружений, территориально-производственные комплексы и т.п.) путем сбора и систематизации информации по данным дистанционного зондирования, картографическим материалам специального (отраслевого) назначения, другим источникам информации об объектах местности, подлежащих отображению в ЦММ.
Примечание — Оптимальным условием проведения топографического мониторинга является анализ работы в региональных и муниципальных ГИС, т.к. все изменения на местности учитываются, как правило, пользователями ГИС в процессе их производственной деятельности;

— периодически (на остальные районы) — по материалам, получаемым в результате специально проводимых аэрофотосъемки, топографической, космической и других видов съемок.

4.6 Подтверждение соответствия ЦММ требованиям нормативных документов рекомендуется осуществлять в Системе сертификации геодезической, топографической и картографической продукции с учетом положений, установленных в [1].

3 Термины, определения и сокращения

3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 28441 и ГОСТ Р 52438.

3.2 В настоящем стандарте использованы следующие сокращения:
СИ — система измерений;
ГИС — географическая информационная система;
ЦТК — цифровая топографическая карта.

5 Требования к содержанию данных в составе ЦММ

5.1 Состав пространственных объектов ЦММ (далее — объектов ЦММ), атрибутов объектов и значений атрибутов должен соответствовать требованиям ГОСТ Р 52439.

5.2 При уточнении для конкретной ЦММ состава объектов, атрибутов объектов и значений атрибутов руководствуются положениями [2], определяющими масштабы карт и планов, которые необходимы для решения тех или иных задач.
Примечание — При работе с ЦММ масштаб является интегральным показателем полноты и точности данных.

Нагрузку ЦММ пространственными объектами и их атрибутивными данными выбирают в зависимости от назначения ЦММ и решаемых с ее помощью задач.

5.3 Объекты ЦММ должны быть классифицированы и снабжены кодами. Для ЦММ рекомендуется использовать системы классификации и кодирования, разработанные в соответствии с ГОСТ Р 51606.
Примечание — При формировании ЦММ рекомендуется использовать положения ГОСТ Р 51605, стандартизующего создание следующих классов пространственных объектов:
— математическая основа;
— опорные пункты;
— рельеф суши;
— гидрография и гидротехнические сооружения;
— населенные пункты;
— промышленные, сельскохозяйственные и социально-культурные объекты;
— дорожная сеть и дорожные сооружения;
— растительный покров и грунты;
— границы, ограждения и прочие объекты;
— подписи собственных названий объектов.

5.4 В рамках конкретной ЦММ допустимо декларирование и использование только одной системы классификации и кодирования.

6 Требования к моделям данных, типам объектов ЦММ и правилам их цифрового описания

6.1 Для представления объектов в ЦММ используют следующие модели пространственных данных:
— векторная топологическая;
— векторная нетопологическая;
— растровая;
— модели, в которых используются и векторные, и растровые данные.
С учетом того, что ЦММ используют, как правило, для решения аналитических и расчетных задач, анализа, подготовки проектов и отчетов, предпочтительной является векторная топологическая модель.
Растровое представление данных рекомендуется использовать в качестве промежуточной модели при обновлении ЦММ по материалам аэрокосмической, лазерной и тепловизионной съемок.
Модели, имеющие в своем составе растровые и векторные данные, рекомендуется использовать в качестве цифровых ортофотокарт и ортофотопланов.
Для описания рельефа используют цифровую модель рельефа (сеточную, триангуляционную, структурную).

6.1.1 Векторная модель может иметь двух- или трехмерную размерность данных.
Векторная модель данных должна сопровождаться указанием единиц измерения, в которых описываются данные. В качестве основных единиц измерения в соответствии с [3] должны использоваться линейные единицы СИ (километры, метры, дециметры, сантиметры и др.).
Примечания

1 Для ЦММ, описывающих зарубежные территории, допустимы такие линейные внесистемные единицы измерения, как миля, дюйм и др.

2 В случаях, когда это оправдано с точки зрения специфики области использования ЦММ, допустимо применение градусных единиц СИ.

6.1.2 Растровая модель данных должна сопровождаться указанием размера пикселя и соответствующего ему значения на местности (в линейных единицах СИ).

6.1.3 Если составной частью ЦММ является цифровая модель рельефа, то параметры описания рельефа должны соответствовать полноте и точности ЦММ, в составе которой присутствует данное описание.

6.2 Структурной единицей цифрового описания данных в составе ЦММ является пространственный объект.
По сложности формирования цифрового описания объекты ЦММ подразделяют на:
— простые;
— сложные.
Представление объекта в ЦММ зависит от его геометрических свойств. Объекты подразделяют на следующие типы:
— точечный;
— линейный;
— полигональный;
— поверхность.
Примечание — В соответствии с ГОСТ Р 51605 в состав ЦТК, которые являются частным случаем ЦММ, включен тип объекта — «Подпись».

6.3 Для формирования объектов ЦММ рекомендуется использовать правила цифрового описания картографической информации по ГОСТ Р 51607.

4.1. Инженерно-геодезические изыскания

Инженерно-геодезические изыскания для строительства (реконструкции) автомобильных дорог должны обеспечивать получение топографо-геодезических материалов и данных о ситуации и рельефе местности, существующих зданиях и сооружениях, элементах планировки, необходимых для комплексной оценки природных и техногенных условий территории строительства.

В состав инженерно-геодезических изысканий для строительства дорог входят:

• сбор и обработка материалов инженерных изысканий прошлых лет, топографо-геодезических, картографических, аэрофотосъемочных и других материалов и данных;
• рекогносцировочное обследование территории;
• создание (развитие) опорных геодезических сетей, включая геодезические сети специального назначения для строительства;
• создание планово-высотных съемочных геодезических сетей;
• топографическая (наземная, аэрофототопографическая, стереофотограмметрическая) съемка;
• обновление инженерно-топографических и кадастровых планов в графической, цифровой, фотографической и иных формах;
• инженерно-гидрографические работы;
• камеральное трассирование и предварительный выбор конкурентоспособных вариантов трассы для выполнения полевых работ и обследований;
• полевое трассирование;
• съемки существующих железных и автомобильных дорог, составление продольных и поперечных профилей, пересечений линий электропередачи (ЛЭП), линий связи (ЛСВ), объектов радиосвязи, радиорелейных линий и магистральных трубопроводов.

Независимо от того, каким методом выполняются геодезические изыскания автомобильных дорог, важно, чтобы плотность съемочных точек была высокой и равномерной в продольном и поперечном направлениях. Таким образом, можно получить наиболее адекватное отображение существующей поверхности.
Основные факторы, которые должны учитываться при выборе технологии изысканий, это скорость выполнения работ и достоверность получаемых результатов.

Нивелирование по поперечникам. Технология геодезических изысканий, основанная на нивелировании поперечников по проектной трассе, является наиболее традиционной и привнесена из технологии изысканий новых дорог периода 50-60-х годов 20-го столетия. Суть ее заключается в том, что по оси дороге выполняется трассирование, закрепляется трасса, разбивается пикетаж и, с заданным шагом, выполняется нивелирование поперечников, нормальных (перпендикулярных) оси запроектированной дороги. Эта технология является чрезвычайно простой, требующей применения наиболее простых геодезических инструментов (теодолиты, нивелиры, рейки, рулетки), что обеспечивает ее живучесть даже в настоящее время.

Однако эта технология имеет ряд изъянов, которые не позволяют рассматривать ее в качестве базовой при геодезических изысканиях для проектирования реконструкций и ремонтов автомобильных дорог.
Во-первых, трассирование по существующей дороге (в случае реконструкции и ремонта) в полевых условиях, да еще на основе традиционных элементов трассирования, не позволяет выполнить эту процедуру достаточно качественно, то есть, с максимальным приближением проектируемой трассы по отношению к существующей.
Во-вторых, в то же время, делается допущение, что проектируемая трасса повторяет очертания существующей. И на этом основании выполняют дальнейшие изыскательские процедуры

В-третьих, изменения проектных решений по трассе на этапе камеральных работ уже невозможно. Это обстоятельство характерно в целом для геодезических изысканий дорог «пикетным» методом.
Тахеометрическая съемка. Наиболее массовым в настоящее время видом геодезических измерений при изысканиях для проектирования дорог является тахеометрическая съемка (рис.4.1). Она обеспечивает необходимую точность измерений, но, в тоже время, достаточно трудоемка, особенно в условиях высокой транспортной загрузки проектируемой дороги.

Нивелирование на основе лазерных построителей плоскостей. Среди существующего в настоящее время многообразия лазерной геодезической техники наиболее эффективно применения для изысканий дорог лазерных построителей плоскостей (см. рис. 4.2.).

Опыт этого вида изысканий накоплен в научно-исследовательском институте проблем дорожного транспортного комплекса РГСУ. Компьютерная лазерная система позволяет с геодезической точностью определять отметки точек поперечных сечений с шагом 10 см. Прибор оснащен специальной тележкой со встроенным счетчиком пути и имеет электронные сегменты с матричной схемой расположения фотодиодов. Отдельно располагаемый излучатель генерирует луч в видимом спектре, который, попадая на определенный сегмент и фотодиод прибора, вызывает срабатывание соответствующей цепи электронной схемы и записывается в оперативную память. Частота регистрируемых точек регулируется и составляет 100-300 точек на поперечник, обуславливая отображение фактической поверхности в виде плотной последовательности точек.
После конвертации полученной информации в цифровую модель системы автоматизированного проектирования можно приступать к процессу проектирования на основе полной информации об очертаниях существующей поверхности ремонтируемой (модернизируемой) автомобильной дороги.
Съемка ультразвуковыми и лазерными профилографами. Съемка лазерными профилографами является наиболее производительной. В течение 1 смены можно выполнить съемку 100-150 км. Однако, в виду того, что лазерные профилографы, как правило, являются навесным оборудованием автомобиля, то точность таких измерений не высокая. Это обусловлено тем, что погрешность измерений вносится действием подрессоренной подвески автомобиля.
Лазерное сканирование. Работа лазерного сканера основана на измерении наклонной дальности D от источника измерения (лазера) до наземного объекта (дороги), являющегося препятствием на пути распространения лазерного луча. Такое препятствие вызовет появление отраженного импульса, который будет зарегистрирован приемником, а по времени задержки от момента излучения зондирующего импульса до регистрации отраженного импульса можно определить дальность D.

Одновременно определяются координаты пространственного положения носителя X,Y,Z за счет использования системы спутниковой навигации, а также углы ориентации зондирующего луча.
Знание этих 6-ти параметров внешнего ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей отражение. Основным результатом работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного изображения или «облака» лазерных точек (рис. 4.3). Отметим важную деталь – лазерно-локационное изображение всегда дискретно.

GPS-съемка (системы спутниковой навигации). Этот вид съемки, в последнее время, достаточно массово применяется при изысканиях автомобильных дорог. Однако, в виду того, что прибор (режим «кинематика») устанавливается на автомобиль (подрессоренная часть), точность таких измерений остается низкой. В режимах «статика» и «stop and go» GPS является достойной альтернативой тахеометрической съемке.
Существенным недостатком этого метода является и то, что в закрытой местности (залесенность, застройка) показания GPS могут давать сбои и отказы. Избежать этого можно совместным применением спутниковых и гироскопических систем.

4.2. Инженерно-геологические изыскания

Инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий района проектируемой автомобильной дороги, включая рельеф, геологическое строение, геоморфологические и гидрогеологические условия, состав, состояние и свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы, изменение условий освоенных (застроенных) территорий, составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой.
В состав инженерно-геологических изысканий дороги входят:

• сбор и обработка материалов изысканий прошлых лет;
• дешифрирование космо-, аэрофотоматериалов и аэровизуальные наблюдения;
• маршрутные наблюдения (рекогносцировочное обследование);
• проходка горных выработок;
• геофизические исследования;
• полевые исследования грунтов;
• гидрогеологические исследования;
• сейсмологические исследования;
• лабораторные исследования грунтов и подземных вод;
• камеральная обработка материалов;
• составление прогноза изменений инженерно-геологических условий;
• оценка опасности и риска от геологических и инженерно-геологических процессов.

Инженерно-геологические изыскания должны выполняться с применением прогрессивных методов работ, современных приборов и оборудования, обеспечивающих повышение производительности труда, улучшение качества и сокращение продолжительности изысканий.

Основной объем изыскательских работ для построения геолого-литологических разрезов, отбора образцов грунта, изучения их свойств, изучения гидрогеологических условий выполняется бурением скважин.

Кроме буровых и шурфовочных работ, для изучения инженерно-геологических условий проложения проектируемой дороги, применяют геофизические методы и георадарные технологии [12].

Георадар – цифровой, портативный, геофизический прибор, предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.

Его действие основано на излучении импульсов электромагнитных волн и регистрации сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различие по диэлектрической проницаемости.

В настоящее время георадар широко применяется в дорожной отрасли для следующих целей: определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов; изыскания карьеров дорожно-строительных материалов и оценки оснований под транспортные сооружения; распределения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях; эрозии грунтов на участках мостовых переходов.

4.3. Инженерно-экологические изыскания

Инженерно-экологические изыскания автомобильных дорог выполняются для экологического обоснования строительства и иной хозяйственной деятельности с целью предотвращения, снижения или ликвидации неблагоприятных экологических и связанных с ними социальных, экономических и других последствий и сохранения оптимальных условий жизни населения.

Инженерно-экологические изыскания дорог должны обеспечивать:

• комплексное изучение природных и техногенных условий территории, ее хозяйственного использования и социальной сферы;
• оценку современного экологического состояния отдельных компонентов природной среды и экосистем в целом, их устойчивости к техногенным воздействиям и способности к восстановлению;
• разработку прогноза возможных изменений природных (природно-технических) систем при строительстве, эксплуатации и ликвидации объекта;
• оценку экологической опасности и риска;
• разработку рекомендаций по предотвращению вредных и нежелательных экологических последствий инженерно-хозяйственной деятельности и обоснование природоохранных и компенсационных мероприятий по сохранению, восстановлению и оздоровлению экологической обстановки;
• разработку мероприятий по сохранению социально-экономических, исторических, культурных, этнических и других интересов местного населения;
• разработку рекомендаций и (или) программы организации и проведения локального экологического мониторинга, отвечающего этапам (стадиям) предпроектных и проектных работ.

В состав инженерно-экологических изысканий входят:

• сбор, обработка и анализ опубликованных и фондовых материалов и данных о состоянии природной среды, поиск объектов-аналогов для разработки прогнозов;
• экологическое дешифрирование аэрокосмических материалов с использованием различных видов съемок;
• маршрутные наблюдения с покомпонентным описанием природной среды и ландшафтов в целом, состояния наземных и водных экосистем, источников и визуальных признаков загрязнения;
• проходка горных выработок для установления условий распространения загрязнений и геоэкологического опробования;
• опробование почво-грунтов, поверхностных и подземных вод и определение в них комплексов загрязнителей;
• исследование и оценка радиационной обстановки;
• газогеохимические исследования;
• исследование и оценка физических воздействий;
• эколого-гидрогеологические исследования (оценка влияния техногенных факторов на изменение гидрогеологических условий);
• почвенные исследования;
• изучение растительности и животного мира;
• социально-экономические исследования.

Инженерно-экологические изыскания выполняются на всех стадиях проектирования: прединвестиционной (концепции, программы) и инвестиционной (обоснование инвестиций, проект, рабочая документация).

Основной объем инженерно-экологических изысканий выполняют на стадии программ и обоснования инвестиций с целью обеспечения своевременного принятия объемно-планировочных, пространственных и конструктивных решений, гарантирующих минимизацию экологического риска и предотвращение неблагоприятных или необратимых экологических последствий.

Материалы инженерно-экологических изысканий должны обеспечивать разработку разделов «Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС)» в обоснованиях инвестиций и «Охрана окружающей среды» в проекте строительства (реконструкции) автомобильных дорог.

Поскольку инженерно-экологические изыскания выполняют, в основном, на предпроектной стадии (программы, обоснование инвестиций), то базовой автоматизированной технологией для их обработки, расчетов и последующей визуализации используют не САПР, а, как правило, ГИС.

4.4.1. Формирование рельефа и ситуации

При системном автоматизированном проектировании результатом топографо-геодезических работ является цифровая модель (массив точек) зоны проектирования. При геодезической съемке или последующей камеральной ее обработке точкам придают определенные атрибуты, необходимые для адекватного моделирования поверхностей, ситуации и корректной реализации всех последующих проектных процедур.

Таким образом, для построения рельефа и ситуации зоны проектирования формируются следующие исходные данные:

• точки, имеющие имя (Name), координаты (x, y, z), коды условных знаков, коды принадлежностей их к линиям и контурам;
• структурные линии, вдоль которых имеет место нарушение гладкости поверхности (линии обрывов, водоразделы, тальвеги, границы рек, озер, искусственных сооружений и пр.);
• ситуационные линии и контуры – данные о местности, такие как расположение лесов, рек, озер, дорог, домов и пр.

Точки обычно отображают графически в виде массива точек с подписью их высотного положения (см. рис. 4.6, а). Точка может нести информацию о точечных объектах (столб, дерево, геодезический знак и пр.). Обозначения этих объектов выбирают из соответствующих библиотек условных знаков и помещают, как правило, в отдельный слой отображения.

Поскольку в реальных проектах сложных сооружений инженер имеет дело с массивами размерностью в десятки и сотни тысяч точек, то, естественно, что современные САПР должны обладать развитыми средствами их визуального редактирования. В режиме редактирования точек, как правило, предусматривают контекстное меню. Состав команд контекстного меню зависит от количества и типа выделенных точек.

Приведем лишь несколько команд по редактированию точек.

Выделить все. Выделяет все точки активной поверхности для последующего их редактирования.

Выделить по признаку. Открывает подменю, из которого можно выбрать один из предложенных признаков выделения точек или задать свой признак.

Выделить все линии, относящиеся к точке. Выделяет все линии, проходящие через выделенную точку. Команда недоступна, если выделено несколько точек.

Копировать в слой. Копирует или перемещает выделенные точки в указанный слой.

Ситуационная/Структурная. Определяет статус точки.

Знаки… Назначение знаков выделенным точкам.

Структурные линии строят строго по рельефным точкам и по своей сути они являются трехмерными ломаными линиями (рис. 4.6, б). Следует отметить, что структурные линии не могут пересекаться, но могут примыкать друг к другу. Структурные линии могут оказывать существенное влияние на очертания поверхностей. Это их свойство будет более подробно рассмотрено в разд. 4.4.3.

Ситуационные линии и контуры могут проходить как по рельефным точкам, так и по ситуационным (не имеющим координату z). Условие прохождения этих линий и контуров через точки не является строгим. Для них нет также запрета на пересечения и наложения (рис. 4.6, в).

Как ситуационные, так и структурные линии имеют атрибуты цвета, толщины и стиля. Контуры имеют атрибуты заливки цветом или текстурой (условными знаками).

В случае заливки контуров один слой, (например, ситуация) может закрывать другой (например, триангуляция). Последовательность наложения слоев друг на друга определяется проектировщиком и может в процессе проектирования, при необходимости, изменяться.

4.4.2. Триангуляция Делоне и способы ее редактирования

Для моделирования поверхностей существуют различные виды структур: по горизонталям, по структурным линиям, по поперечникам к трассе или магистральному ходу, статистические [26]. На практике чаще всего используют два основных вида структур: регулярная (равномерная прямоугольная, рис. 4.7, а) и нерегулярная (триангуляционная, рис. 4.7, б).

Массив точек для регулярных моделей может быть представлен в следующем виде:

F, m, n, X0, Y0, Z11,…, Z1m,…, Znm,

где F – шаг сетки; m – число точек по горизонтали; n – число точек по вертикали; X0, Y0 – координаты начальной точки сетки, Z11,…, Z1m,,…, Znm – отметки точек в узлах сетки.

Таким образом, для однозначного представления регулярной сетки размерностью m´n требуется хранить всего m´n+5 чисел. Однако для адекватного представления поверхности с заданной точностью требуется высокая плотность точек, что сопряжено со значительной многодельностью работ по подготовке исходной информации. К тому же, в виду ограниченности быстродействия компьютеров и массивов обрабатываемых данных приходится выбирать между точностью представления (размером ячейки) и размером обрабатываемой поверхности.

Для нерегулярных моделей массив точек описывается последовательностью:

SXi, Yi, Zi, Ti, Ri, Li,

где Xi, Yi, Zi – координаты i-той точки (массив i = 1,…,k); Ti, Ri, Li – соответственно принадлежность i-той точки Ti треугольнику, связь i-той точки с Riи Li точками в треугольнике.

Размерность нерегулярной сетки составляет 6k, что почти в 6 раз выше размерности регулярной сетки, но, в тоже время, для адекватного отображения поверхности требуется существенно меньшее количество точек.

Задача построения поверхности способом триангуляции является одной из базовых в вычислительной геометрии. К ней сводятся многие другие, связанные с моделированием поверхностей и решением пространственных задач в машинной графике, системах автоматизированного проектирования и геоинформационных системах.

Задачей построения триангуляции по заданному набору точек называется задача соединения точек непересекающимися отрезками так, чтобы образовалась триангуляция. Эта задача не является однозначной, поэтому возникает вопрос, какая из двух различных триангуляций лучше (оптимальна)?

Рассмотрим некоторые алгоритмы построения триангуляции.

Например, триангуляция Делоне, названная в честь советского математика Б. Н. Делоне (1934 г., [10])основана на ряде практических свойств:

• триангуляция, удовлетворяет условию Делоне, если внутрь окружности, описанной вокруг любого построенного треугольника, не попадает ни одна из заданных точек триангуляции;
• пара соседних треугольников триангуляции удовлетворяет условию Делоне, если этому условию удовлетворяет триангуляция, составленная только из этих двух треугольников;
• триангуляции удовлетворяет условию Делоне, если этому условию удовлетворяет триангуляция, составленная только из этого треугольника и трех его соседей (если они существуют).
• триангуляция Делоне обладает максимальной суммой минимальных углов всех своих треугольников среди всех возможных триангуляций;
• триангуляция Делоне обладает минимальной суммой радиусов окружностей, описанных около треугольников, среди всех возможных триангуляций.

Триангуляцию Делоне можно получить из любой другой триангуляции по тому же массиву точек, последовательно перестраивая пары соседних треугольников DABC и DBCD, не удовлетворяющих свойствам Делоне, в пары треугольников DABD и DACD (рис. 4.8). Такую операцию называют флип.

Важно, что операцию флип можно применять не только в составе алгоритма построения оптимальной триангуляции поверхности, но и в составе инструментов диалогового ее редактирования, что позволяет получать желаемые для проектировщика свойства этой поверхности.

Другим алгоритмом, который достаточно просто и наглядно демонстрирует последовательность построения оптимальной триангуляции, является жадный алгоритм. В качестве условия оптимизации здесь принята минимальная сумма длин всех ребер среди всех возможных триангуляций, построенных на тех же исходных точках. Этот алгоритм выполняется всего в 2 шага.

· Генерируется список всех возможных отрезков (рис. 4.9, а), соединяющих пары исходных точек, и он сортируется по длинам отрезков.

· Начиная с самого короткого, последовательно выполняется вставка отрезков в триангуляцию. Если отрезок не пересекается с другими ранее вставленными отрезками, то он вставляется, иначе – отбрасывается (рис. 4.9, б).

Заметим, что если все возможные отрезки имеют разную длину, то результат работы этого алгоритма однозначен. Иначе он зависит от порядка вставки отрезков одинаковой длины.

Трудоемкость работы жадного алгоритма составляет N2logN , где N – число точек в массиве. В связи со столь большой трудоемкостью на практике этот алгоритм применяется редко.

От выбора того или иного алгоритма триангуляции существенно зависит эффективность работы всей системы проектирования, а также достоверность получаемых результатов. Существенным является и вопрос выбора структуры данных для представления триангуляции.

В триангуляции можно выделить 3 основных вида объектов: узлы (точки, вершины), ребра (отрезки) и треугольники. В процессе выполнения конкретных проектных задач возникает необходимость выполнения вычислительных операций с этими объектами.

Приведем лишь некоторые из возможных операций.

• Треугольник ® узлы: требуется для получения высотной отметки проектной точки, расположенной внутри конкретного треугольника. Для этого устанавливаются координаты узлов этого треугольника, а далее в уравнение плоскости, проходящей через эти три узла, подставляются координаты x,y проектной точки.
• Узел ® ребра: требуется для анализа водоотвода на рассматриваемой поверхности. По узлу устанавливается список всех смежных ребер, каждое из которых анализируется на возможность «перелива» воды.
• Треугольник ® треугольник: требуется для построения изолиний рассматриваемой поверхности. По треугольнику устанавливается список соседних с ним треугольников и на них вычисляется геометрическое место точек с заданной высотной отметкой.

Этапы создания цифровой модели рельефа по данным топографических карт

В электронные системы ГИС до настоящего момента еще заносят данные, которые представлены в многообразных топографических картотеках. Это делается следующим образом:

• Сканирование. При этом процессе должно учитываться оптимальное разрешение. Оно определяется исходя из нужд ЦММ. Слишком детальная информация может не пригодиться, зато основа будет долго загружаться, а ее проработка потребует длительного времени.
• Стыковка и наложение. Этот этап позволяет склеить все элементы будущей модели, сделать швы незаметными, дополнить имеющиеся погрешности в данных, например, если на одном источнике не было что-либо отмечено, а на втором было.
• Векторизация. Чтобы отметить горизонтальные линии, необходимо программное обеспечение, которое сделает это в автоматическом режиме. Если самостоятельно, вручную к этому приступать, то потребуется много времени.
• Интерполяция растрового изображения по одному из выше представленных методов. Этот момент и делает из электронной карты полноценную ЦМР.
• Объемная визуализация. Если цифровая модель рельефа загружена в ГИС, то с этим не будет проблем. Работать с ней будет удобно во многих САПР, в том числе в ZWCAD. Программа поддерживает большинство форматов. Если создание ЦММ было необходимо для последующего проектирования, то можно сразу пользоваться программными продуктами от «ЗВСОФТ».

Для чего нужно создание модели местности – область применения

В совокупности значений такая технология необходима для детального изучения рельефа на любой территории. Его можно познавать как на плоскости, так и в объеме. Кроме того, при желании можно спрогнозировать разрез почвы, определить уровень грунтовых вод и прочее. Так что, правильнее всего будет сказать, что ЦММ необходимы для изучения местности буквально вдоль и поперек. Такими широкими возможностями пользуются во многих отраслях:

• В целях картографирования. Это направление положило истоки оцифровки данных, а также дало множество исходного материала. Теперь уже оно само пользуется возможностями топографических моделей.
• Ландшафтный дизайн. Для обустройства обширной местности потребуется узнать обо всех особенностях грунта и рельефа – где будет скапливаться вода, в каком месте лучше посадить растения.
• Проектирование зданий и сооружений. Эта цель сейчас одна из основных, которые обслуживают ЦММ. Растровые изображения переносятся в системы CAD, а могут там и создаваться. На такой подложке создаются модели будущих строений. Учитываются не только координаты тех или иных точек, но и характеристики строительной площадки.
• Строение автомобильных дорог, магистралей и развязок. Перед тем как приступить к ремонтным работам, а тем более до начала масштабного строительства, необходимо подробно изучить ту основу, на которой будет стоять дорога. Исследуется не только рельеф, но и уровень возможной просадки, нахождение грунтовых вод, которые могут размыть основания и пр.
• Природоохранительные задачи. Особые точки на сетке ставятся в тех местах, где располагаются водоемы. Когда перед глазами сотрудника растровая картинка, намного легче ориентироваться на местности, отмечать все достопримечательные или особые места.
• Научные изыскания: биологи, экологи, географы, геологи и многие другие ученые в качестве исследований выбирают ЦММ.
• Бытовое использование цифрового моделирования в ГИС – электронные карты, навигаторы. Без карты в гаджете многие пользователи не смогут ориентироваться в городе, не говоря уже о незнакомых местах.
• Военное дело и мореплавание.

SRTM – новый способ получения данных

Все большее распространение получает применение сведений с радарной топографической съемки, она же – Shuttle radar topographic mission. Информация ведется с двух шаттлов, которые вращаются вокруг Земли. Вся планета полностью, кроме океанов и самых крайних (южных и северных) широт заснята радиолокационными сенсорами.

Данных имеют некоторый срок давности, они предложены в открытом доступе с 2005 года. Вся сеть имеет трехсекундный шаг, они как раз и берутся в качестве точек для построения ЦММ. Только на территории Америки шаг составляет – 1 секунду, это обусловлено тем, что шаттл и вся программа принадлежат США.