3 - 2002

Полевая геоинформатика. Применение современных геодезических приборов и программных средств для создания и ведения ГИС

Андрей Жуков

Cбор данных для ГИС

GPS — наиболее эффективный инструмент для создания геодезического обоснования

Электронный тахеометр — оптимальный выбор для полевых съемок и кодирования информации

Лучшее решение для обновления данных в ГИС — специализированные GPS-приемники

Использование комплексов для работы в реальном масштабе времени — небывалые возможности повышения производительности

Продукты Autodesk — лучший выбор для обработки полевых измерений, создания и публикации карт

Бытует мнение, что геоинформатика — наука в основном кабинетная, что создавать и поддерживать ГИС можно в лабораторных условиях. Отчасти это верно, но только для крупномасштабных ГИС уровня стран, крупных регионов и природных областей. Для масштабов крупных предприятий, городов, районов правильнее, на мой взгляд, говорить о полевой геоинформатике, ведь в этом случае решающее значение имеют достоверность и актуальность информации, содержащейся в ГИС, а значит, возникает необходимость ее постоянного обновления. Главный вопрос, который в связи с этим приходится решать руководству, решающему задачу создания ГИС: какие инструменты выбрать или, другими словами, на что дать деньги? Потратить меньше и использовать устаревшее, но исправно работающее оборудование или заплатить больше и приобрести новое, современное? А если покупать новое, то что именно? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо знать, что же предлагается сегодня на рынке геодезического оборудования и программного обеспечения для создания и поддержки ГИС. А осуществить выбор в зависимости от задач и возможностей организации может помочь эта статья, в которой будут рассмотрены самые современные комплексы средств для сбора данных, ввода и обработки их в ГИС-пакетах и публикации в сетях.

Cбор данных для ГИС

Первым и, наверное, самым важным этапом в создании ГИС является сбор данных для нее. От точности, достоверности и актуальности этих данных всецело зависит эффективность всей системы. Ошибки, допущенные на этом этапе, могут впоследствии дорого обойтись. Поэтому стремление полностью исключить или свести такие ошибки к минимуму вполне естественно. Наиболее эффективно это можно сделать, используя электронные геодезические приборы (GPS-приемники, тахеометры, цифровые нивелиры), которые позволяют исключить характерные для работы с оптическими приборами источники ошибок, связанные со снятием отсчета, с диктовкой, записью, переносом данных из полевых журналов в вычислительную ведомость, вычислением. Не стану перечислять все преимущества электронных приборов над «традиционными», отмечу лишь наиболее существенные. К ним прежде всего относится резкое повышение производительности труда и сведение «человеческого фактора», а следовательно, и ошибок к минимуму. Для целей сбора данных для ГИС немаловажно также и то, что результаты измерений электронными приборами, в отличие от «традиционных», изначально представлены в цифровом виде, то есть готовы для использования в программном обеспечении. Более того, значительная часть задач, которые до сих пор решались в камеральных условиях (уравнивание теодолитных ходов, преобразование координат, вычисление площади и др.), с использованием встроенного в приборы программного обеспечения выполняются автоматически в процессе работы. Таким образом, задачу сбора и обновления данных для мелкомасштабных ГИС на территориях, подверженных различным изменениям, наиболее эффективно можно решить с помощью электронного геодезического оборудования.

Как известно, в основе большинства ГИС лежит карта или план местности. Обычно используют готовую карту/план, переводя ее в цифровой вид и обновляя по мере необходимости, либо создают основу, производя полевые съемки. И в первом и во втором случае используют геодезическое оборудование, получая и обновляя электронные карты. Рассмотрим подробнее пример создания основы для ГИС с нуля, по результатам полевых измерений.

В начало В начало

GPS — наиболее эффективный инструмент для создания геодезического обоснования

Организации, занимающиеся получением карт труднодоступной или малоосвоенной местности, стоят перед задачей создания и развития геодезических сетей как обоснования для дальнейших тахеометрических съемок. Для этих целей используются GPS-приемники геодезического класса. Использование таких приборов в режиме статики (прибор-«база» находится на закрепленной точке с известными координатами, а «мобильный» прибор перемещается по определяемым точкам, производя на каждой измерения по нескольку часов) позволяет получать координаты пунктов с точностью до миллиметра. Одно из главных достоинств приемников GPS — возможность производить измерения в любое время и в любую погоду. Бич всех оптических приборов — условие прямой видимости до отражателя/рейки/вешки — для GPS значения не имеет (измерения можно производить приемниками, находящимися на расстоянии нескольких десятков километров друг от друга). А учитывая, что многие приемники управляются при помощи 1-2 кнопок и не требуют от оператора специальной подготовки, не трудно подсчитать, на сколько вырастет производительность труда и сколько средств можно сэкономить только на сокращении числа рабочих (система из двух GPS-приемников может обслуживаться одним оператором).

Используя поставляемое с приборами GPS программное обеспечение, можно обработать результаты измерений, уравнять полученные геодезические сети и вычислить координаты пунктов для последующих тахеометрических съемок.

Решить задачу создания геодезического обоснования позволяют поставляемые компанией ИНФАРС недорогие (от 12 тыс. долл.) и многофункциональные комплекты одно- и двухчастотных GPS-приемников производства фирм Topcon и Trimble. Особо хотелось бы отметить приборы Topcon (Javad), которые обладают рядом поистине уникальных особенностей. Основным их преимуществом является возможность оснащения приборов новыми возможностями по мере необходимости. Приемники могут быть модернизированы посредством приобретения соответствующих опций: типа принимаемых сигналов, размера памяти, подавления многолучевости (эффекта, возникающего из-за отражения сигналов со спутников от поверхности земли и различных объектов, снижающего точность измерений), частоты обновления данных при работе в режиме реального времени. Так, например, приобретая одночастотный приемник Legacy-E L1 GPS (4,5 тыс. долл.), в дальнейшем можно «дорастить» его до двухчастотного (работающего на частотах L1 и L2) и двухсистемного (принимающего сигналы GPS и ГЛОНАСС). Преимущества использования таких приемников особенно очевидны в северных областях нашей страны, на застроенных территориях и в районах с ограниченной видимостью спутников. Немаловажно и то, что установка новых опций и обновление микропрограммного обеспечения приемника могут производиться пользователем самостоятельно после получения «пароля» к установке.

Большой популярностью пользуются приемники компании Trimble — одного из ведущих производителей GPS-оборудования. Эта компания предлагает на рынке весь спектр GPS-приемников геодезического класса «на любой вкус». Особенно привлекательна компактная и недорогая модель 4600LS (рис. 1) — одночастотный GPS-приемник геодезического класса, работающий от батареек типоразмера С (343) и не нуждающийся во внешнем источнике питания (потребляемая мощность 1 Вт). Прибор имеет герметичную и ударопрочную конструкцию и эффективно применяется в GPS-съемках на коротких и средних базисных линиях.

В начало В начало

Электронный тахеометр — оптимальный выбор для полевых съемок и кодирования информации

После измерений координат точек геодезической сети, ее уравнивания и получения ведомости координат переходят к съемке местности. Максимально сократить издержки и повысить производительность труда при топографических съемках позволяют электронные тахеометры. С их помощью можно не только измерять углы и расстояния, но и кодировать полевую информацию, как бы «оцифровывая» объекты на поле. Определив, в зависимости от задач, которые планируется решать с использованием создаваемой ГИС, перечень объектов, подлежащих картографированию, создают таблицы, в которых каждый объект получает уникальный идентификатор. Загрузив с помощью программного обеспечения коды объектов в прибор, оператор в процессе съемки просто выбирает на дисплее тахеометра код нужного объекта и измеряет его координаты. При выгрузке данных из прибора в компьютер геодезист получает не только «голые» координаты, но и коды измеренных объектов. В дальнейшем наличие этой информации значительно облегчит процесс создания карт в ГИС-пакетах.

Однако возможности электронных тахеометров не ограничиваются только произведением топографических съемок. В зависимости от встроенного в прибор программного обеспечения можно решать задачи, возникающие при проведении дорожных работ (вынос поверхности дороги), производить архитектурные обмеры. Безотражательные модели тахеометров позволяют производить измерения до объектов, на которые трудно или невозможно установить отражатель, осуществлять съемку дорог без перекрытия движения по ним. Особый интерес представляют приборы для роботизированных измерений с автоматическим поиском отражателя, рассчитанные на проведение работы одним человеком.

Выбор такого дорогостоящего прибора, как электронный тахеометр, — дело весьма ответственное, и без помощи специалиста здесь трудно обойтись. Помочь в этом нелегком деле вам смогут в компании ИНФАРС, занимающейся поставками всего спектра моделей электронных тахеометров Topcon и Trimble.

Безусловным лидером среди производителей электронных тахеометров является фирма Topcon. Все ее новые линейки тахеометров значительно превосходят по техническим показателям и надежности аналогичные модели других производителей. При выборе прибора для топографических съемок помимо точности решающее значение имеют объем памяти и дальность измерений до отражателя. Среди приборов такого класса выдающимися показателями обладают приборы серии GTS-220 (Topcon) (рис. 2). Внутренняя память на 8000 точек, дальность измерения на однопризменный отражатель в 3000 м, защита от попадания влаги и пыли, возможность морозоустойчивого исполнения делают оптимальным выбор этих тахеометров для использования в суровых природных условиях и при больших объемах полевых съемок. Из приборов такого же класса других производителей популярны тахеометры серий TTS3300 (Trimble), SET500/600 (Sokkia).

Значительно расширяют возможности тахеометров и безотражательные дальномеры. Наряду с выполнением обычных для таких приборов задач (топографические съемки) безотражательные тахеометры могут использоваться для:

  • измерений в архитектуре (детальные измерения фасадов строений);
  • инженерных измерений (мосты, башни и пр.);
  • туннельных работ;
  • измерений недоступных объектов (места с высокой температурой, места с повышенной взрывоопасностью);
  • мониторинга деформаций крупных объектов (высотные здания, башни и пр.);
  • производства работ при монтаже конструкций;
  • производства съемок для расчета объемов земляных работ (котлованы, карьеры и пр.).

Среди моделей тахеометров с возможностью производить измерения без отражателя по своим техническим характеристикам (см. таблицу) выделяются приборы серий GPT-2000 и GPT-6000 — последние разработки фирмы Topcon. Безотражательными дальномерами могут комплектоваться большинство тахеометров Trimble (серии TTS 3300, TTS 3600, TTS 5600).

Максимальной производительности труда позволяет достичь использование в полевых съемках моделей для работы в роботизированном режиме. Лидерами в этой категории приборов являются моторизированные тахеометры серии GTS-800 (Topcon) и TTS5600 (Trimble). Каждая из этих серий интересна по-своему. Приборы GTS-800 обладают встроенным программным обеспечением с большим количеством прикладных задач, большим объемом внутренней памяти, расширяемой к тому же за счет использования сменных карт памяти. Тахеометры TTS5600 построены по принципу «конструктора»: купив сначала базовую модель, в дальнейшем можно оснастить ее дополнительными возможностями (сервопривод, система слежения за отражателем, модуль для безотражательных измерений), повысить точность и дальность измерений, адаптировать прибор для работы при температурах до –35 °С.

Такие приборы рассчитаны на работу с одним человеком: тахеометр устанавливается на точку, а геодезист перемещается по точкам с отражателем. Прибор отслеживает его перемещения и по команде с пульта управления, закрепленного на отражателе, производит измерения и записывает их в память.

Рост производительности труда при использовании прибора с сервоприводом составит 30%, с системой слежения за отражателем — 50%, с возможностью роботизированных измерений — 80%, а для безотражательных моделей — 100%.

Составленная по материалам полевых съемок карта местности ляжет в основу создаваемой ГИС. На эту основу в дальнейшем будет наноситься атрибутивная информация.

В начало В начало

Лучшее решение для обновления данных в ГИС — специализированные GPS-приемники

Для сохранения достоверности и актуальности информации, содержащейся на карте, необходимо осуществлять ее постоянное обновление. При глобальных изменениях территории может потребоваться повторная тахеометрическая съемка отдельных ее участков. Задачи отображения небольших изменений, довнесения координат новых объектов и их атрибутов в существующие базы данных призваны решить GPS-приемники, ориентированные на сбор и обновление информации для ГИС. К таким приборам относятся системы Pathfinder Pro XR/XRS, GeoExplorer3 и новинка — карманный приемник GPS Pathfinder Pocket, работающий с PDA-устройствами производства фирмы Trimble (рис. 3). Приемники такого класса компактны, позволяют замерять точечные, линейные и площадные объекты, записывать сопутствующую этим объектам атрибутивную информацию, имеют относительно невысокую точность (0,5-5 м), не требуют проведения длительных измерений на каждом объекте, основными же их преимуществами являются высокая мобильность и быстрота определения координат. Предусмотрена возможность работы таких приборов в реальном масштабе времени — путем обмена информацией между собой при помощи радиомодемов. Данные с GPS-приемников обрабатываются в программном пакете Pathfinder Office и экспортируются во все распространенные форматы ГИС и САПР. Все перечисленные выше преимущества наряду с невысокой ценой (4-10 тыс. долл.) делают приемники такого типа оптимальными для картографирования природных ресурсов, исследования окружающей среды, создания и обновления баз данных для коммунальных и городских служб.

В начало В начало

Использование комплексов для работы в реальном масштабе времени — небывалые возможности повышения производительности

Поистине безграничные возможности открывают перед изыскателями комплексы для работ в реальном масштабе времени. Крупнейшие производители геодезического оборудования, в том числе Trimble и Topcon, стремятся объединить все виды электронных геодезических приборов под одной торговой маркой. Такой подход позволяет полностью автоматизировать геодезические и изыскательские работы при помощи оборудования одной фирмы, избежав возможных «нестыковок» и несовместимостей форматов данных. Более того, при помощи специального радиоэлектронного оборудования теперь возможно производить измерения и получать координаты в реальном времени, объединив в единую систему GPS-приемники и роботизированные электронные тахеометры. Такие комплексы оборудования производства фирмы Trimble предлагает компания ИНФАРС. Обмениваясь данными при помощи радиомодемов, приемники GPS измеряют и вычисляют координаты узлов геодезической сети, которые, в свою очередь, используются как станции тахеометрической съемки. Такой подход к полевым работам позволяет достичь максимальной отдачи при минимальных затратах времени и численности рабочих и быстро оправдывает себя в ситуациях, когда необходимо быстро произвести съемку местности со слабым геодезическим обеспечением (районы Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока).

В начало В начало

Продукты Autodesk — лучший выбор для обработки полевых измерений, создания и публикации карт

Следующий этап подготовки данных для создания ГИС — передача для обработки данных полевых измерений из приборов в ГИС-пакеты. При выборе программного обеспечения следует руководствоваться соображениями совместимости его с используемым оборудованием и тем программным обеспечением, в котором, возможно, будут использоваться данные ГИС. Для мелкомасштабного картографирования особое значение приобретают возможности ГИС — пакета по черчению и редактированию графических элементов карты. Мировым лидером в этой области является программа AutoCAD компании Autodesk. Все отраслевые desktop-решения этой компании, в том числе в области ГИС, включают в себя AutoCAD, а следовательно, обладают всеми его возможностями. Один из таких продуктов — Autodesk Land Desktop — является мировым лидером в области обработки результатов полевых измерений, построения и анализа пространственных моделей местности. Вместе с дополнительными модулями — Autodesk Survey и Autodesk Civil Design — программа Autodesk Land Desktop представляет собой оптимальное решение для всех специалистов, на разных этапах работающих с ГИС: геодезистов, картографов, гидрологов, ландшафтников, проектировщиков, геологов и экологов. Специалисты в этих областях обычно работают, функционально пересекаясь, совместно используя накладывающиеся данные в проекте. В целях повышения производительности каждый из них может работать (исходя из своих задач и потребностей), используя непротиворечивый набор инструментов для ввода данных и простого доступа к ним. Единая платформа позволяет Autodesk Land Desktop свободно обмениваться данными с другими desktop-решениями от Autodesk.

Первый этап работы с результатами полевых измерений — импорт данных из приборов в программу их обработки. Дополнительный модуль к Land Desktop — Autodesk Survey — предоставляет в этом смысле весьма широкие возможности, поддерживая импорт из файлов с данными полевых измерений. Эта программа поддерживает свыше 60 различных типов электронных приборов, включая накопители данных, тахеометры и цифровые нивелиры. Причем если точки съемки были снабжены соответствующими описателями, то при импорте они отрисовываются различными символами, на разных слоях и соединяются ситуационными линиями. Поскольку линии различных типов отрисовываются на различных слоях, легко добиться того, чтобы они отрисовывались соответствующими типами линий (заборы, коммуникации, границы ландшафтов). Пользуясь случаем, хотим сообщить, что при поставке Land Desktop компания ИНФАРС поставляет и набор топографических знаков, соответствующих российским нормам. После русификации Land это один из важнейших шагов в деле его адаптации для российского пользователя (рис. 4). В последней версии базового модуля Autodesk Land Desktop 3 есть специальная утилита, которая позволяет закачивать данные в программу напрямую из приборов фирмы Trimble.

Для создания карты путем цифрования или векторизации растровой подложки оптимальным выбором будет программа Autodesk Raster Design (усиленная версия CAD Overlay), которая инсталлируется на Autodesk Land Desktop. Функция полуавтоматической оцифровки горизонталей, которая присваивает получающимся полилиниям соответствующие отметки, позволяет создавать модели рельефа непосредственно в Land без дополнительных манипуляций.

Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) и создание топографической карты обеспечивает базовый модуль пакета Autodesk Land Desktop. Исходными данными для построения ЦМР могут служить любые комбинации данных проекта: точечные данные и группы точек, контуры и ASCII-файлы точек. Имея богатые возможности для визуализации и анализа трехмерных поверхностей, Land позволяет выполнять связанные с пространственным проектированием работы любой сложности. Программа имеет широкий набор возможностей для работы с земельными участками, что делает ее выбор оптимальным для решения задач, связанных с кадастром.

Еще один дополнительный модуль к Land Desktop — Autodesk Civil Design — расширяет возможности в области проектирования гражданских объектов, транспортных сооружений, разработки строительных площадок и гидрологического анализа. Проектирование дорожных работ, профилирование, расчет санитарного и ливневого дренажа, анализ стока, проектирование водоемов и очистных систем — все эти функции, заложенные в Civil Design, наряду с возможностями Land значительно расширяют инструментарий для проектирования и анализа объектов на местности (рис. 5).

Таким образом, на начальном этапе ввода и обработки данных для ГИС, для целей профессионального анализа введенной информации, лучшим выбором представляется линейка от Autodesk — Land Desktop, Civil Design, Survey, а при работе с растровыми материалами — Raster Design.

Если перед создателями ГИС не стоит задача построения и всестороннего анализа ЦМР, оптимальным инструментом для картографирования станет Autodesk Map, возможности которого, как известно, включены в Autodesk Land Desktop. В настоящее время Autodesk Map представляет собой наиболее мощное решение для автоматизированного картографирования и ГИС. Программа имеет широкие функциональные возможности для создания карт, интеграции и обмена данными, редактирования карт, формирования запросов и топологического анализа данных. Одна из ярких отличительных особенностей Autodesk Map — прямое подключение большого числа баз данных, в том числе Microsoft Access, Oracle, SQL Server, dBASE, Excel. Помимо мощного инструментария Map по построению запросов это дает возможность организовать и хранить большие массивы данных в специализированных программных пакетах, по мере надобности осуществляя запросы к ним. При помощи таких запросов можно создавать тематические карты с нанесенными легендами. Еще одна сильная сторона Map — возможность построения разного рода топологий и выполнения запросов к ним (нахождения кратчайшего пути в топологической сети, определения зоны влияния разного рода событий). Autodesk Map — открытая система, средства импорта и экспорта которой обеспечивают интеграцию с файлами большинства ГИС-пакетов. Множество удобных для картографа функций (поддержка более 700 проекций, возможность работы с наборами карт, развитые средства редактирования, оформления и печати карт) делают Map оптимальным решением для автоматизированного тематического картографирования.

После создания основы ГИС и наполнения ее атрибутивной информацией встает задача наилучшим образом организовать эти данные, обеспечив к ним удобный доступ заинтересованных служб. Для решения этой проблемы больше всего подходит программный пакет Autodesk MapGuide, предназначенный для создания и поддержки мощных сетевых приложений с возможностью управления векторными и растровыми картографическими данными. Autodesk MapGuide состоит из трех частей:

  • Autodesk MapGuide Server — модуль, обслуживающий картографические данные, предоставляя возможность их просмотра тем пользователям, у которых установлен Autodesk MapGuide Viewer;
  • Autodesk MapGuide Author — модуль, служащий для создания и подготовки картографических данных в формате, пригодном для опубликования;
  • Autodesk MapGuide Viewer — программа, дающая пользователю возможность интерактивного контроля над опубликованной информацией. Модуль позволяет работать с отдельными фрагментами карт, с тем чтобы выбирать интересующие объекты и получать о них подробную информацию.

Autodesk MapGuide открывает перед разработчиками ГИС-систем поистине безграничные возможности в области создания интеллектуальных, управляемых сетевых приложений для работы с картами. Такие приложения позволяют в реальном времени передавать картографическую информацию посредством стандартного браузера для работы в Интернете, взаимодействуя с любыми ГИС-серверами. Например, используя возможности Autodesk MapGuide, землеустроители могут увидеть, какие из земельных участков в городе заняты промышленными зонами и сколько жилых домов подключено к текущей линии водопровода, а инженеры-электрики, используя размещенную картографическую информацию, могут выделить требующие обслуживания линии уличного освещения в определенном районе и быстро распечатать карты выбранных участков.

Анализ аппаратных и программных средств для создания ГИС позволяет сделать вывод, что построить и поддерживать полноценную ГИС можно только с помощью передовых технологий. Безусловно, такой подход на первом этапе потребует значительных капиталовложений, но в дальнейшем вложенные средства окупятся сторицей.

«САПР и графика» 3'2002

Регистрация | Войти