Вопросы хранения и использования топографо-геодезических данных для САПР и ГИС

Аркадий Калинин

Базы данных координат геодезических пунктов

Хранение графической информации

Использование архивных данных в полевых работах

Пример организации данных

При современном подходе к проектированию архитектурно-строительных объектов (зданий и сооружений, улиц и дорог, инженерных сетей и пр.) к качеству строительства и оперативному представлению проектных данных предъявляется ряд дополнительных требований. Одним из них является преемственность данных при переходе спроектированного и построенного объекта в ведение служб контроля и эксплуатации. Часто при такой форме обмена информацией теряется значительная часть самого понятия «объект», поскольку передаются только графические составляющие информации об объекте (тогда как правила работы с ней, а также «понимание» этого объекта другими программными средствами остается за пределами бумажной или «псевдобумажной» формы представления данных).

Все это не только требует перехода от традиционных способов проектирования к компьютерным решениям, но и повышает значимость баз данных геодезического обоснования строительства для решения совместных задач проектирования и создания геоинформационных систем.

Современное геодезическое производство подразумевает создание такого продукта, который можно разделить на две категории. Это, во-первых, каталоги координат пунктов геодезического обоснования и, во-вторых, топографические карты крупных масштабов. С учетом электронного представления данных речь, в сущности, идет о создании баз данных геодезического обоснования и цифровых моделей местности. Разберем по порядку общий подход к организации баз данных с целью не только хранения, но и последующего их использования для нужд проектирования и ГИС.

Базы данных координат геодезических пунктов

Само понятие базы данных подразумевает систематизацию данных о геодезических пунктах в рамках значений координат (X, Y, H и др.). Даже простой каталог координат включает — помимо самих значений координат — также достаточно объемную информацию о геодезическом пункте как о ГИС-объекте. В состав этой информации входят также:

• описание местоположения;
• геологическое строение грунтов;
• условия закладки;
• материал изготовления и др.

Кроме того, сюда можно добавить абрисы расположения пункта с подробной геометрией, а также результаты регулярных осмотров.

Само собой разумеется, хранение этих данных необходимо организовать не в виде текстовых файлов, а с использованием различных уровней иерархических баз данных. В свою очередь, наличие абрисов расположения пунктов требует, чтобы в СУБД существовал механизм загрузки графики (векторной или растровой) для визуализации положения пункта на карте объекта, города или района, а также для ведения карточек закладки центров геодезических пунктов (рис. 1).

С точки зрения организации всех геодезических данных в рамках одного проекта для целей проектирования или ГИС важным условием иногда являются характеристики и способы получения координат геодезических пунктов:

• непосредственно из полевых измерений;
• по материалам аэрофотосъемки;
• по материалам векторизации для каждого используемого масштаба и др.

Систематизированные таким образом данные позволяют оценивать качество материалов, передаваемых для целей проектирования или в ГИС. Координаты одних и тех же точек, полученных различными способами, могут быть дополнительно усреднены по средневесовому значению при условии неравноточных способов измерений (рис. 2). При этом, однако, нельзя сравнивать координаты одноименных точек, полученных принципиально разными способами (например, на основании полевых измерений и по данным оцифровки карт масштаба 1:10 000).

При таком способе оценки результатов измерений и вычислений важным условием является хранение и соответствующая обработка результатов измерений (полевых журналов). В частности, все полевые данные должны быть систематизированы таким образом, чтобы для их хранения можно было использовать табличные формы или, что предпочтительнее, специально разработанные базы данных. При этом вся полевая информация может обрабатываться как массив данных (с соответствующими условиями поиска и хранения). Например, возможен поиск измерений на определенную дату или на определенных точках стояния с выборкой обрабатываемых измерений по определенному условию — по номеру пикета, расстоянию до него и пр. (рис. 3).

Часто возникают случаи поиска ошибки измерения не по измеренным величинам, а по вычисленным значениям. Поэтому в структурированной базе данных необходимо предусмотреть дополнительные расчетные величины для такого рода контроля. Примером может служить база данных измерений в следующем виде:

• точка стояния;
• точка наблюдения;
• высота инструмента;
• высота наведения;
• код точки стояния;
• код точки наблюдения;
• горизонтальный угол;
• наклонное расстояние;
• горизонтальное проложение;
• вертикальный угол;
• превышение и т.д.

Здесь необходимо учесть, что выделенные курсивом значения могут являться как измеренными, так и вычисленными (рис. 4).

При современных способах ведения полевых геодезических работ необходимо также предусмотреть ввод результатов с любого электронного геодезического прибора в автоматическом режиме в созданную базу данных (для осуществления функций просмотра и редактирования, описанных выше).

Хранение графической информации

Прежде чем начать обсуждение способов хранения и работы с графическими материалами, необходимо классифицировать их с точки зрения способов дальнейшего использования.

Следует оговориться, что задачи, решаемые программным обеспечением в области геодезии для САПР и ГИС, различаются как рамками требований к исходному материалу, так и представлением конечной продукции и характером ее использования. Основными факторами здесь являются законченность продукта, его вид, насыщенность информацией, точность, скорость создания и др.

Нельзя обойти вниманием и различия в характере представления картографического материала («жесткий» бумажный носитель или же электронная форма специально для САПР/ГИС). То, что является очевидным для САПР — повышенная точность, насыщенность графической информацией (даже ее избыточность), ограниченность размеров проекта, — для геоинформационной системы представляет собой некий балласт, определяющий как назначение системы, так и скорость получения информации. Характерным примером может служить использование картографического материала: в случае ГИС это карты масштабов 1:2000-1:10 000 и мельче, а для САПР — 1:1000 и крупнее.

Следовательно, первое из важных условий подготовки и хранения топографических планов — это направление дальнейшего использования графической информации (то есть для решения каких стратегических задач она будет применяться). В частности, будут ли результаты работы выданы на твердом носителе, только в бумажном виде (и на этом закончится технологический процесс создания планов и карт) или же они будут переданы в электронном виде для дальнейшей работы в системах проектирования и геоинформационных технологиях.

Современные способы хранения графической информации (например, рабочих чертежей САПР) подразумевают хранение отдельных чертежей, описанных с помощью структуры форматки и штампа стандартного листа бумажной документации. Существуют системы поиска, организованные по принципу картотеки, где по определенным условиям поиска на экран выводится найденный чертеж для просмотра, редактирования или печати.

В геодезии такой подход не очень удобен для хранения графических данных, так как одна и та же территория может быть изображена в разных масштабах (соответственно размеры листов карт разные) и, как было указано ранее, для различных целей может потребоваться разная информационная нагрузка. В таком случае всю графическую информацию об объекте (в рамках проекта) более уместно рассматривать в качестве единой и соответственно делить ее на планшеты (в зависимости от масштаба) для просмотра, редактирования или печати по мере необходимости.

Для каждого фрагмента единой графической информации по проекту необходимо учесть способы деления на планшеты (например, по номенклатуре, по стандартному листу формата от А0 до А4, а также произвольно). Все эти варианты размещения должны отслеживать координаты границ выборки и быть доступны для редактирования (рис. 5).

Такой способ представления информации удобен еще и благодаря наглядному представлению об объеме печатных листов и их расположении при выводе на печатающее устройство в определенном формате. В этом случае отсутствует также операция сведения нескольких смежных листов карт.

Организованная подобным образом графическая база данных объекта должна обладать определенными возможностями по системе доступа (в частности, отслеживать внесенные изменения с краткой характеристикой того, кто и когда их сделал). В целом такая характеристика не противоречит правилам ведения формуляра топографического плана и согласуется с инструкцией по топографической съемке в масштабах 1:5000-1:500 (рис. 6).

При формировании выборки необходимо учитывать как вопросы генерализации, так и соответствующие библиотеки условных знаков и размеры надписей. Единая карта проекта сама по себе имеет масштаб представления на экране. При этом условные знаки могут иметь размер, соответствующий или масштабу создаваемой карты, или удобному (читаемому) представлению на экране. В последнем случае должен быть предусмотрен механизм пересчета размеров условных знаков из экранного масштаба в масштаб создаваемой карты при печати (рис. 7). Точно такие же требования предъявляются и для соответствующих надписей условных знаков и пояснений.

Теперь рассмотрим вопросы генерализации. Здесь дело обстоит намного сложнее. Процесс генерализации в большей степени требует анализа топографо-геодезических данных и принятия решений («что обобщать» и «как решать конфликты в условных обозначениях»). Полностью автоматизированная система генерализации требует, чтобы все анализы и выводы были хорошо определены в виде правил. Однако без ясного представления о том, как человеческий мозг принимает решения, реализовать такой автоматизированный процесс генерализации в ближайшем будущем не представляется возможным.

Частным решением является распределение объектов по слоям с последующим выключением слоев при переходе с одного масштаба на другой и подключением соответствующих библиотек условных обозначений (в сторону уменьшения масштаба, но не его увеличения).

Использование архивных данных в полевых работах

Использование готовых материалов, каталогов координат и топографических данных позволяет решать дополнительные задачи в области использования этих данных для полевых работ. Основное направление — это передача данных по планово-высотному обоснованию для проведения полевых работ с использованием электронных геодезических приборов. Для этого необходимо иметь конвертор данных по формированию в формате прибора координат точек планового и высотного обоснования и передаче их в прибор перед выездом в поле. В прибор передаются наборы координат (X, Y, H) и коды точек (рис. 8).

Другое направление — это вынос в натуру элементов проектных решений (осей зданий и сооружений, элементов трасс инженерных коммуникаций, автомобильных и железных дорог). С одной стороны, при использовании электронных геодезических приборов можно передавать только координаты (поскольку программа выноса в натуру у многих современных приборов включена по умолчанию или является определенной опцией в поставке). С другой стороны, при использовании обычных оптических приборов, намного чаще встречающихся на строительных площадках, необходимо сформировать полноценный полевой журнал. В него войдут значения горизонтального угла от опорного направления, а также расстояние (как наклонное, так и, при необходимости, горизонтальное положение), угол наклона или превышение для выноса точки по высоте (рис. 9). Естественно, программа должна уметь это делать при условии, что она «понимает» существующую ситуацию, используя данные ГИС (топографическая основа), а также данные проектирования (проектные решения по строительству).

Пример организации данных

Системный подход к электронным способам хранения топографо-геодезической информации для использования в системах автоматизированного проектирования и геоинформационных системах полностью реализован в рамках программного обеспечения CADdy.

Структура программного обеспечения гарантирует непрерывность и преемственность процесса обработки изыскательских, проектных и геоинформационных данных, начиная с обработки полевых геодезических наблюдений и заканчивая проектированием зданий, сооружений и инженерных коммуникаций, а также их последующей эксплуатацией, когда на всех этапах требуется работа с единой моделью объекта.

Подчеркнем, что система собрана по модульному принципу, где каждый модуль решает определенный набор задач со 100%-ной преемственностью данных. Рассмотрим организацию модулей и их характеристики по подготовке топографо-геодезических данных для строительства.

Модуль CADdy V1 позволяет обрабатывать данные полевых измерений, файлы геодезических координат объектов, редактирует и преобразует данные полевых измерений, полученных с помощью электронных и оптических приборов, а также систем GPS. Основное назначение модуля — автоматизация работ по созданию планово-высотного геодезического обоснования для крупномасштабных съемок и решения задач прикладной геодезии.

Модуль CADdy V2 предоставляет средства для автоматизированного создания электронных топографических карт и планов местности, описания объектов (земельных участков, строений и др.) по их геодезическим координатам с автоматическим формированием банков геодезических координат, площадей и периметров земельных участков и строений. Обеспечивается построение продольных и поперечных профилей местности с учетом геологической структуры. Модуль позволяет автоматизировать создание комплекта рабочих чертежей генеральных планов в соответствии с требованиями системы проектной документации для строительства (СПДС), в том числе разбивочный план, чертежи по вертикальной планировке территории, сводный план инженерных сетей, план благоустройства.

Модуль CADdy V3 формирует в автоматическом режиме цифровую модель рельефа (ЦМР) с построением линий горизонталей с заданными параметрами (высота сечения, точность интерполяции, степень сглаживания и др.). Он также выполняет интерполяцию высот точек с построением продольных и поперечных профилей, проводит расчеты земляных работ, вычисляет объемы выбранного и насыпного грунта.

Модуль CADdy BSV ведет архив картографических материалов, сборку единой карты территории объекта из различных планшетов для проектирования и ГИС, обеспечивает оперативное редактирование картографических объектов в рамках единого проекта.

Модуль CADdy TP — это библиотека условных знаков для топографических планов и карт масштабов 1:5000-1:500.

Организация хранения данных внутри системы полностью удовлетворяет требованиям, описанным ранее. Основные составляющие таковы:

• база данных координат пунктов планово-высотного обоснования и всех характерных элементов местности (формат хранения *.dbf) со всей инфраструктурой управления данными, включая поиск, выборку по критериям, редактирование, формирование каталогов координат, связь с графикой;
• база данных всех типов геодезических измерений (полигонометрия, триангуляция, трилатерация, все виды топографических
• съемок, нивелирование) в формате хранения *.dat (ASCII) с интерфейсом системной обработки данных. Данные могут быть введены в систему как с любого геодезического электронного прибора, так и из традиционных полевых журналов, причем они без проблем интегрируются в структуры баз данных dBase, а также MS Excel и MS Access;
• графическая информация хранится в формате *.pic, при этом возможна передача и прием графических данных по формату *.dxf и *.dwg;
• хранение графики всего объекта подразумевает использование формата *.dbm (Database Map). Возможна организация выбора планшетов с использованием ГИС-приложения CADdy KIS.

В таблице представлены некоторые направления совместного использования САПР- и ГИС-технологий в строительстве, конкретные примеры которого будут приведены в следующем номере журнала.

«САПР и графика» 2'2001