Методы построения геодезической разбивочной основы

Рисунок 6 - Цифровой нивелир Leica Sprinter 250M

Цифровые (электронные) нивелиры являются продуктом высоких  технологий. Ведь в них до минимума сведена роль человека, как регистратора отчетов, на исполнителя возложена задача управленца-менеджера – где удобнее расположить нивелир, чтобы быстрее сделать работу, как оптимально проложить нивелирный ход. Решение этих задач без отвлечения на однообразное выведение уровня и снятие отсчетов позволяют человеку держать себя в тонусе и меньше уставать. И если внедрение компенсатора позволило в оптических нивелирах избавить пользователя от необходимости регулярного выведения уровня, так как визирная ось самоустанавливается в горизонтальное положение при предварительном грубом горизонтировании геодезического прибора, то в цифровых (электронных) нивелирах развитие пошло дальше - по двум направлениям. Во – первых, основным их преимуществом является автоматическое снятие отсчета по рейке, то есть ликвидирован главный источник ошибок нивелирования – снятие отсчета человеком, где практически невозможно оценить как человек видит отсчетный штрих на фоне рейки, аппроксимацию отсчета если штрих расположен между миллиметровыми делениями рейки или шашечками, в цифровых (электронных) нивелирах отсчет производится автоматически по специальной рейке на которую нанесен специальный штрих код, который различается по всей её длине, при этом производится многократное снятие отсчета, что значительно повышает надежность результата. Вторым важным совершенствованием цифрового (электронного) нивелира является наделение его электронной памятью и программным обеспечением, позволяющим вести обработку наблюдений в режиме реального времени, это особенно важно при соблюдении таких контрольных параметров как равенство плеч на станции и в ходе, ну и естественно почти моментальное получение результата по завершении работ. Естественно полученные результаты могут быть обработаны в прикладной программе совместно с данными других геодезических работ, для чего цифровые (электронные) нивелиры снабжены разъемами для скачивания информации на компьютер.

4.1 Геометрическое нивелирование:

Во время геометрического нивелирования  превышение между точками получают как разность отсчётов по рейкам при  горизонтальном положении визирной оси нивелира. Этот метод является наиболее простым и точным, но позволяет с одной постановки прибора получить превышение не более длины рейки, поэтому при больших превышениях в горной местности его эффективность падает.

Определение превышения заключается в визировании горизонтальным лучом с помощью нивелира и отсчета разности высот по рейкам. Точность отсчета по рейкам составляет от 1-2 мм (техническое нивелирование) до 0.1 мм (нивелирование I класса). 

На рисунке 7 показано нивелирование методом «из середины», также существует метод «вперед»

Рисунок 7 - Геометрическое нивелирование

4.2 Тригонометрическое нивелирование: 

При тригонометрическом нивелировании  превышение между точками определяют по измеренным вертикальным углам  и расстояниям между точками (горизонтальным проложениям). Тригонометрическое нивелирование позволяет с одной станции определить практически любое превышение между точками, имеющими взаимную видимость, но его точность ограничена из-за недостаточно точного учёта влияния на величины вертикальных углов оптического преломления и уклонений отвесных линий, особенно в горной местности. Превышение определяется по измеренному теодолитом (кипрегелем, эклиметром) углу наклона линии визирования с одной точки на другую (α) и расстоянию между этими точками (S). Тригонометрическое нивелирование применяется при топографической съемке и других работах.

4.3 Барометрическое нивелирование - превышение определяется по значениям атмосферного давления при помощи барометра.

4.4 Гидростатическое нивелирование - основано на свойстве жидкости в сообщающихся сосудах находиться на одном уровне вне зависимости от высоты расположения сосудов. Этот метод имеет высокую точность, позволяет определять разность высот между точками при отсутствии взаимной видимости, но измеряемая разность высот ограничена длиной наибольшей из трубок, соединённых шлангами.

 

 

 

5. Лазерные сканеры

Лазерный сканер называют по-разному: наземным лазерным сканером, лазерной сканирующей системой или трехмерным лазерным сканером. Главное, что все эти термины обозначают одно устройство.

Лазерный сканер по средствам высокоскоростного  сканирования переносит совокупность характеристик реальной поверхности  в цифровой вид и представляет результат в пространственной системе  координат. Лазерные сканеры – это совершенно новое геодезическое оборудование. Это устройство совсем недавно начали использовать в геодезии, и лазерные системы сканирования отлично подошли для этого вида работ. Если рассмотреть техническую сторону лазерных сканеров, можно сказать, что лазерный сканер – это прибор, оснащенный высокоскоростным безотражательным лазерным дальномером и системой изменения направления луча лазера – специальное поворотное зеркало. Задав область сканирования – сектор поворота зеркала, в котором будет с большой скоростью до 50 000 точек в минуту распространяться лазерный луч дальномера, можно получить сплошную съемку интересующего объекта. Причем плотность точек лазерного сканирования может быть от 0,25мм до 1м и более. В результате получается массив точек, каждая из которых имеет 3 пространственные координаты X, Y, Z и информацию о псевдоцвете.

Рисунок 8 - Лазерный сканер PHARO, Тип 3

Лазерный сканер может выполнять  съемку объектов находящихся в любом  месте сферы – полный круг по горизонтали (360°) и 270° по вертикали. Такое широкое поле зрения лазерного 3D сканера позволяет минимизировать количество станций сканирования. Таким образом, можно производить геодезическую съемку практически всех точек вокруг лазерного сканера. Это позволяет обойтись минимальным количеством приборов. Точность безотражательного дальномера наземного лазерного сканера в среднем 4 мм. При этом точность положения каждой измеренной точки по трем осям (X, Y, Z) - не ниже 6 мм при расстоянии до объекта 50 метров и менее.         

Главные преимущества лазерной сканирующей  системы:

- высокая точность измерений; 

- возможность создания различных  чертежей, в частности, чертежей  сечений;

- измерения проводятся с высокой  скоростью;

- обработка данных происходит  практически мгновенно, что немаловажно для работы в полевых условиях;

- есть возможность сравнивать  полученную информацию с проектной  моделью, что облегчает контроль  качества работы;

- по результатам съемки можно  составлять топографические планы;

- возможность геодезической съемки труднодоступных и опасных объектов; 

- возможность автоматического  сравнения результатов сканирования  с предыдущими для определения  величины деформации.

Области применения лазерной системы:

- Съемка площадных объектов  насыщенных инфраструктурой (заводские территории, электроподстанции, объекты добычи и транспортировки углеводородов, крупномасштабная топосъемка);

- Исполнительная съемка участков  промышленных предприятий подлежащих  реконструкции (цеха, установки,  пром. площадки) для дальнейшей передачи даных в средства автоматического проектирования - САПР в трехмерном виде;

- Городской кадастр (планы улиц, площадей);

- Реконструкция и строительство зданий (архитектурный обмер; установка вентфасадов, авторский надзор по проектам);

- Реставрация зданий, археологических памятников;

- Дорожная съемка (профилирование  дорог, съемка мостов, тоннелей);

- Съемка ж/д станций и инфраструктуры;

- Съемка тоннелей, мониторинг (в  т.ч. оползневых и осыпных участков); 

- Горная промышленность (съемка  и определение объемов и пр.);

Принцип работы прибора основан  на выполнении измерений дальности  до объекта съемки, с помощью лазерного  безотражательного дальномера, а  также и определении горизонтального  и вертикального углов, для каждой точки интересующего нас объекта. Измерения производятся с высокой плотностью и точностью, что впоследствии позволяет создать трехмерную математическую модель объекта съемки. Процесс выполнения съемки автоматизирован. Преобразование полярных координат точек лазерных отражений в Декартовы производится автоматически. Эффективность применения лазерного сканирования наиболее ярко проявляется в том случае, когда съемка объекта необходима с высокой подробностью и точностью.

5.1 Лазерные сканеры делятся на наземные и воздушные. С помощью лазерных сканеров воздушного базирования производится съемка с борта воздушного транспорта. По соответствующему виду сканера воздушные и наземные технологии различаются по области применения и точности информации. Как правило, воздушное сканирование производится вместе с цифровой аэрофотосъемкой.

Можно смело утверждать, что за цифровой технологией — будущее  геодезии, ведь она имеет несомненные  преимущества перед традиционными  средствами и приемами геодезии. Лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъемка выдают более детальные данные об объекте, чем это делают традиционные методы геодезии. Также к их несомненным преимуществам относятся большая эффективность в выделении земного рельефа при густой растительности, нахождении расположения и определения формы сложных объектов, создании топографических карт и планов безориентировочной местности, точности и детальности снимков рельефа дна.

В результате лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки получаются цифровые продукты: пространственные модели рельефа, топографические планы и карты, ортофотоснимки и пространственные модели инженерных объектов.

Невозможно переоценить эффективность  таких инновационных технологий. Лазерное сканирование площади в  несколько тысяч кв. километров при  помощи сканеров воздушного базирования  производится всего за две недели, а получается цифровая трехмерная модель территории. При классическом подходе потребовалось бы несколько месяцев или даже лет для выполнения такой работы, не обошлось бы и без изнурительных и дорогостоящих экспедиций. Не возникает сомнений и в эффективности наземного сканирования, которое просто необходимо при работе со сложными объектами и с мелкими деталями, обеспечивающее детальность компонентов объекта.

Становится бесспорным, что такие  инновационные технологии в геодезическом производстве имеют широкие перспективы. Они позволяют эффективнее и в более короткие сроки оценить техническое состояние исследуемых объектов вне зависимости от их сложности. Воздушное сканирование лазером и цифровая аэрофотосъемка ускоряют создание цифровых карт. В проектировании и реконструкции они также упрощают процесс. И это далеко не все перспективные стороны инновационных технологий лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки. Они способствуют прогнозированию последствий природных катаклизмов и чрезвычайных происшествий, применяются в наблюдении за деформацией объектов и тому подобное.

5.2 Одним из примеров лазерного сканера является – лазерный сканер Kreon.

Принцип работы лазерного сканера  следующий: он крепится вместо контактного  щупа и подключается к КИМ мобильного или стационарного типа, либо к станку с числовым программным обеспечение (ЧПУ).  Внутри сканера располагается цифровая видеокамера и диодный лазерный излучатель с модуляцией сигнала. Лазерный луч формирует строку различной длины в зависимости от модели, а затем гаснет до начала следующей. Максимальное количество строчек в секунду 60. Данный параметр регулируется вручную и задается в зависимости от отражательной способности поверхности сканируемого изделия.

Технология сканирования Kreon базируется на методе триангуляции. Угол между камерой и лазерным лучом выбран оптимальным для сканирования. При угле 0° между лучом и измеряемой поверхностью камера не фиксирует излучение строки, подсвеченной лучом лазера на измеряемой поверхности, 90°- оптимальное положение. Лазерный луч в единичный момент времени образует на сканируемой поверхности светящуюся точку, которая фиксируется матрицей видеокамеры. При формировании лучом лазера строчки на измеряемой поверхности, на матрице фиксируется размытая (градиентная) кривая, которая затем фильтруется по точкам с максимальной интенсивностью свечения. Из этих точек с максимальной интенсивностью свечения формируется облако. Отсканированный объект может быть экспортирован в форматы: IGS, VDA, DXF,STL, WRL, CBK, CWK, GRK, ASC, BMP. 

Таким образом, использование координатно-измерительных  машин и лазерных сканеров Kreon для  бесконтактного съема информации позволяет  значительно сократить сроки, необходимые  для проектирования новых и модернизации серийно выпускаемых изделий, достичь высокой точности проведения контрольно-измерительных работ, а так же значительно сократить время и снизить затраты на проектирование и изготовление контрольных приспособлений.

Заключение

Научно-технический прогресс не стоит  на месте. С каждым днем он охватывает все больше сфер нашей жизни. В последние несколько лет ощутимо возросли темпы строительства. Как следствие, это повлекло за собой и развитие оборудования для геодезии. Любые геодезические приборы на современной строительной площадке являются одним из самых важных и необходимых элементов. Здесь также четко прослеживается устойчивая взаимосвязь между геодезическими приборами и развитием сегмента высокоточной компьютерной техники. Компьютерные инновации позволили на порядок модернизировать и усовершенствовать геодезическое оборудование. Без такой техники уже сложно представить себе, например, монтаж инженерных коммуникаций в процессе строительства зданий и сооружений.