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

Аркадий Калинин

Общие сведения

Наблюдения за осадками

Технология работ

   Создание цифровой модели объекта

   Создание базы данных координат планово-высотного обоснования и проекта размещения осадочных марок

   Проведение цикла наблюдений и формирование базы данных измерений на дату возведения сооружения

   Уравнивание цикла наблюдений и получение высот осадочных марок

   Формирование базы данных величин осадок, суммарных осадок, скорость осадки...

Заключение

В первой части статьи («САПР и графика» № 2’2001) были представлены некоторые направления совместного использования САПР- и ГИС-технологий в строительстве. Рассмотрим применение этих технологий на примере обеспечения геодезических работ при эксплуатации уже построенных инженерных объектов (в частности, для наблюдений за деформациями сооружений).

Общие сведения

Каждое построенное инженерное сооружение постепенно изменяет свое положение в пространстве. Давление сооружения сжимает грунты в основании фундамента, что вызывает его осадки. Разумеется, по мере уплотнения грунтов основания осадки постепенно прекращаются. При этом скорость затухания зависит от свойств конкретных грунтов, и прекращение осадок наступает только через несколько лет.

Кроме того, сооружение может перемещаться в горизонтальной плоскости, если имеется боковое давление (как, например, в мостовых конструкциях, подпорных стенках насыпей железных и автомобильных дорог и гидротехнических плотинах).

Сильное развитие деформаций сооружения может привести к нарушениям в его эксплуатации или даже разрушениям. Именно поэтому наблюдения за деформациями сооружений представляют собой важный комплекс геодезических полевых и камеральных работ, которые могут быть организованы в рамках комплексной САПР/ГИС-технологии для своевременного решения вопроса о необходимости принятия профилактических мер.

Наблюдения за осадками

Наиболее распространенный метод определения осадок — это периодическое, точное геометрическое нивелирование. В этом случае осадки выявляют сравнением высот осадочных марок, закрепленных на сооружениях. Указанные марки размещают так, чтобы можно было выяснить особенности осадок в разных частях сооружения: вдоль осей фундаментов, в участках, где возможны наибольшие осадки, около трещин в стенах зданий, вблизи деформационных и температурных швов, в местах большого давления и ненадежных грунтов. Высотной основой для определения осадок служит сеть реперов, закладываемых так, чтобы обеспечивалась стабильность их положения по высоте на весь период наблюдений. Необходимая точность определения осадок составляет ±1 мм. При этом в отдельных случаях (например, для уникальных сооружений) точность нивелирования повышается до десятых долей миллиметра.

Вообще говоря, наблюдения за крупными сооружениями начинают сразу после закладки фундамента, а последующие циклы выполняют по мере возведения сооружения и после завершения строительства, в процессе его эксплуатации.

По материалам наблюдений за осадками сооружений, во-первых, определяют абсолютные величины осадок для отдельных частей и, во-вторых, выявляют общий характер затухания осадок, чтобы в случае необходимости провести профилактические мероприятия для устранения активного хода осадок, способных вызвать катастрофические последствия.

Чтобы уменьшить влияние систематических ошибок на результаты измерений, нивелирование производят каждый раз по одной и той же схеме ходов. При этом после уравнивания нивелирных ходов вычисляют отметки H осадочных марок и составляют ведомости, в которых указывают для каждой марки следующие параметры:

• величину осадки S между двумя последними циклами;
• суммарную осадку с начала наблюдений;
• среднемесячную или среднегодовую скорость осадки конкретной марки N;
• среднюю скорость осадки всего сооружения;
• произведенную оценку точности измерений.

Для наглядности представления о ходе осадок составляют совмещенные графики осадок марки, профили осадок по продольным и поперечным осям зданий, план кривых равных суммарных осадок.

Технология работ

Весь комплекс работ можно разделить на несколько этапов. Сюда входят:

• создание цифровой модели объекта с использованием модулей CADdy V1, V2, V3;
• создание базы данных координат планово-высотного обоснования и проекта размещения осадочных марок в CADdy V2 (рис. 1);
• проведение цикла наблюдений и формирование базы данных измерений на дату возведения сооружения (CADdy V1, CADdy KIS);
• уравнивание цикла наблюдений и получение высот осадочных марок (CADdy NA);
• формирование базы данных величин осадок, суммарных осадок, скоростей осадки и т.д. (CADdy KIS);
• организация систем запроса и анализ данных осадок с помощью CADdy KIS (по каждому объекту и по значениям, по датам проведения цикла наблюдений и т.п.).

Как видно из списка решаемых задач, все этапы работ могут быть полностью выполнены в рамках одного программного обеспечения CADdy. В первой части статьи уже подчеркивалось, что это обеспечивается преемственностью всех данных (как числовых, включая геодезические координаты, результаты измерений, а также данные по геологии, так и графических, содержащих топографическую основу, планы зданий и сооружений, схемы и графики). Рассмотрим более подробно каждый этап всего комплекса работ.

Создание цифровой модели объекта

На первый взгляд при создании проекта для наблюдения за осадками необязательно иметь полноценную электронную модель объекта, а достаточно схемы расположения марок основных реперов. Однако в тех случаях, когда комплекс выполняемых работ предназначен для обеспечения полнофункциональной ГИС, имеет смысл ввести сюда всю информацию по объекту, включая цифровую модель местности (ЦММ). Поскольку этап создания электронной модели объекта уже был довольно подробно описан в ряде наших предыдущих статей журнала «САПР и графика», остановимся только на некоторых особенностях создания ЦММ по растровой подложке.

Общая контурная часть ЦММ создается довольно просто. В принципе, здесь применяется стандартная процедура векторизации с использованием гибридной технологии.

Сложнее обстоит дело с созданием цифровой модели рельефа по существующим горизонталям. Дело в том, что горизонтали, являясь произведением искусства топографа, изображают рельеф с точностью до ±20 см (за счет ошибок интерполяции и сглаживания, с учетом опыта топографа). Поэтому ошибки положения горизонталей могут достаточно сильно сказаться на точности и качестве создания цифровой модели рельефа (ЦМР) для проектных работ.

Для задач ГИС цифровая модель рельефа, как правило, не строится (можно сказать, что она просто не востребована), а рельеф передается «отвекторизованными» горизонталями с соответствующей атрибутикой. Поэтому здесь пока можно пренебречь точностью определения высот.

Что касается задач, выполняемых с помощью САПР, то здесь построение ЦМР — актуально и давно используется, от точности ее построения во многом зависят расчетные задачи (вертикальная планировка, построение профилей и т.д.). При этом для реальной работы необходимо иметь математическое описание рельефа в виде поверхности, где горизонтали играют лишь второстепенную роль (они визуально помогают проектировщику сориентироваться на местности и вывести информацию по ЦМР на печать). Разумеется, все расчеты ведутся не по изображенным горизонталям, а по поверхности, математически описанной в программе.

Поэтому для построения модели рельефа в САПР рекомендуется использовать только высотные точки, существующие практически на всех планах и картах крупных масштабов. В крайнем случае можно использовать изображения горизонталей, размещая высотные точки в характерных точках рельефа (бровках, тальвегах, водоразделах), где интерполяция и построение горизонталей являются наиболее точными — вне зависимости от условий вычерчивания.

Создание базы данных координат планово-высотного обоснования и проекта размещения осадочных марок

Здесь важной особенностью является совмещение ЦММ и чертежей поэтажных планов. Для этого используют данные проектирования в виде рабочих чертежей, а также контуры существующих зданий и проектную информацию по выносу объектов в натуру. Все это необходимо для получения прямоугольных координат всех осадочных марок на объектах проекта и для последующей передачи их в базы данных с целью обработки и анализа. Здесь важно иметь информацию по всему топографо-геодезическому обеспечению участка работ, включая данные по обновлению топографических планов крупных масштабов всей территории объекта. При этом благодаря соответствующей организации работ можно всегда иметь последнюю версию цифровой модели объекта (рис. 2).

Проведение цикла наблюдений и формирование базы данных измерений на дату возведения сооружения

Структура файлов полевых журналов измерений в CADdy довольно удобна. Она позволяет систематизировать все возможные комбинации полевых измерений и сформировать базы данных измерений, основываясь на указанных текстовых файлах. Возможности модуля CADdy KIS по конвертированию данных в текстовые форматы и обратно (напрямую или через ODBC) позволяют достаточно оперативно обновлять базы данных измерений. Дополнительно в базе данных измерений (модуль CADdy KIS) существует возможность оценить точность каждого участка измерений в зависимости от типа применяемого нивелира и характера измерений (рис. 3). Каждая запись в базе данных измерений связана с графическим представлением схемы хода на общей карте объекта.

Уравнивание цикла наблюдений и получение высот осадочных марок

Уравнивание цикла наблюдений начинают с ввода данных в полевой журнал, представленный полями базы данных в модулях CADdy V1, CADdy NA и CADdy KIS (или, если информации достаточно много, — с использованием MS Excel). При уравнивании можно использовать плановые координаты осадочных марок, получив указанные координаты с электронной карты объекта автоматически (при условии существования плана размещения осадочных марок). Наличие плановых координат позволяет иметь точную схему нивелирных ходов и использовать ее при формировании отчетной документации.

Уравнивание производят с учетом грубых ошибок измерений (локализуя их в общей схеме измерений по графическому представлению и выбору из базы данных). Локализованные измерения могут быть исключены из обработки, если они не влияют на последующие этапы уравнивания. Информация по измерениям, содержащим грубые ошибки, позволяет своевременно их исправить. После выполнения локализации и исправления ошибок рекомендуется уравнять сеть классическим методом по способу наименьших квадратов (рис. 4).

Формирование базы данных величин осадок, суммарных осадок, скорость осадки...

Имея уравненные значения высот осадочных марок, можно заняться оценкой и анализом конечных результатов измерений на конкретную дату (в базе данных осадок). Основной статистический анализ можно выполнять с помощью стандартных функций модуля CADdy KIS. Помимо этого имеется возможность провести дополнительный анализ по графическому представлению величин осадок на карте объекта или, что удобнее, непосредственно на планах зданий и сооружений, осадки которых изучаются (рис. 5). Для построения дополнительных графиков и схем анализа можно подключать другие модули CADdy. Например, для построения линий равных осадок на поэтажном плане любого здания и сооружения достаточно выполнить действия по следующей схеме:

• выбрать из базы данных осадок значения на конкретную дату и конкретный объект (работа с фильтрами запросов в модуле CADdy KIS);
• выбранные объекты передать в текстовый формат рабочих файлов координат модуля CADdy V3 (работа с экспортом данных во внешние базы данных CADdy KIS);
• в модуле CADdy V3 сформировать математическую модель поверхности сооружения, высотные отметки которого представлены значениями осадок;
• по заданным параметрам (шаг изолиний, условия вычерчивания) создать график распределения осадок в пределах выбранного здания или сооружения;
• полученный таким образом чертеж можно передать в модуль CADdy KIS, как справочную инфо-карту для дальнейшего анализа и ссылок.

Организация систем запроса и анализ данных осадок по каждому объекту и по значениям, по датам проведения цикла наблюдений...

Создавая общую базу данных по всем наблюдениям за деформациями зданий и сооружений, очень полезно иметь базы данных по всем составляющим комплекса наблюдений, включая геологические изыскания на объекте, которые также влияют на характер и величину деформаций (рис. 6). Здесь особое место занимает информация о геологическом и гидрогеологическом режимах грунтов основания, их сезонных изменениях и неоднородности грунтов. По накопленным результатам наблюдений за деформациями проектировщики могут решать дополнительные специальные задачи:

• уточнение расчетных формул физико-механических свойств грунтов основания;
• установление предельно допустимой величины деформаций для различных категорий зданий, сооружений и их узлов;
• определение величины сжимаемой толщи грунтов основания.

Все вышеуказанные данные можно хранить в любых СУБД. Главное, чтобы они были всегда доступны для анализа. На этом этапе достаточно иметь возможность передавать данные через ODBC в структуру модуля CADdy KIS или работать по ссылке к соответствующей строке записи в базе данных по геологии (рис. 7). Подчеркнем, что возможность подключения дополнительной информации в виде графических схем или отсканированных чертежей повышает скорость и достоверность принятия решений при анализе ситуации.

Заключение

Весь описанный комплекс работ позволяет дополнительно осуществить правильный монтаж технологического оборудования в наиболее приемлемые сроки, с учетом фактических и прогнозируемых деформаций. Результаты наблюдений, полученные в строительный период, будут исходными при приемке зданий и сооружений в эксплуатацию и при назначении сроков и объемов работ.

В период длительного накопления данных по наблюдениям за деформациями используемые информационные системы позволяют быстро получать данные для принятия своевременных мер инженерной защиты по устранению причин осадок, горизонтальных смещений и их предупреждений.

Рассматриваемый вид геодезического контроля неизменности положения сооружений и его частей с использованием САПР- и ГИС-технологий на практике может встречаться довольно часто. Измеряются осадки железнодорожных насыпей, опор больших мостов, зданий, построенных на недостаточно надежных грунтах, а также технологического оборудования. Важно, чтобы во всех направлениях использовалась преемственность проектных и эксплуатационных данных, что позволит в кратчайшие сроки организовать единую компьютерную технологию сбора и анализа данных, различных по своему составу.

«САПР и графика» 3'2001