2.4 Камеральная обработка полевых материалов и измерений

Камеральный этап Обработка полевых материалов и данных с оценкой точности полученных результатов. Составление (обновление) топографического плана. Согласование (при наличии) нанесенных на топографические планы коммуникаций (линий электропередач, линий связи, магистральных трубопроводов и т.д.) с организациями, в ведении которых находятся данные объекты. Подготовка технического отчета.

По завершению полевых работ исполнитель передает материалы инженерно-геодезических изысканий в отдел камеральной обработки для дальнейшей обработки.

Материалы должны содержать:

-оформленные полевые журналы;

-вычисления координат и высот точек опорных сетей и съемочного обоснования;

-схему съемочного обоснования с картограммой работ;

-кроки на найденные и определенные пункты закрепления участка;

-планы топографической съемке в электронном виде;

-пояснительную записку по выполненному объему работ со схемой согласования расположения инженерных коммуникаций;

-акт сдачи заложенных реперов на сохранность;

-акт контроля и приемки выполненных работ.

Автоматизация камеральных работ идет по пути широкого использования компьютерных технологий обработки геодезической информации. Компьютерные технологии позволяют выполнять предварительную обработку и уравнивание геодезических измерений, формировать цифровые модели местности, создавать цифровые планы и карты, другие топографо-геодезические документы в электронном виде.

3. Современные технологии инженерно-геодезических изысканий магистрального газопровода

В настоящее время при проведении топографо-геодезических работ все большие требования предъявляются к срокам их выполнения при строгом соблюдении необходимой точности и качества. Данное обстоятельство стимулирует проектно-изыскательские, строительные организации использовать новые средства измерения пространственных координат, универсальное и удобное программное обеспечение, комплексные технологии, позволяющие автоматизировать полевые и камеральные этапы работ.

3.1.1. GPS-ПРИЕМНИКИ

Приемники классифицируются по конструктивным особенностям – типу слежения за спутниками, видами принимаемых и обрабатываемых сигналов, по портативности и техническим возможностям, по точности и стоимости.

По точности и стоимости выделяют 4 класса приемников:

1.Самые простые и дешевые, кодовые, большей частью одноканальные, с местным генератором невысокого качества, низкой точности (погрешность – сотня и более метров); не нуждаются в дополнительном специальном программном обеспечении, определяют координаты дискретных точек.

2.Ручные, средней стоимости, кодовые, сравнительно малой точности (единицы и десятки метров), имеют небольшой накопитель данных, допускают запись атрибутов объектов.

3.Повышенной стоимости, многоканальные, кодовые, имеют антенну и генератор высокого качества, приспособлены для измерений в так называемом дифференциальном режиме, благодаря чему обеспечивают дециметрово-метровую точность.

4.Дорогие, многоканальные, кодово-фазовые одночастотные или двухчастотные, требуют сложного программного обеспечения, предназначены для измерений с погрешностями в несколько миллиметров или сантиметров. Двухчастотные наиболее точны. Однако, благодаря применению относительных методов измерений и совершенных методик обработки, одночастотные приемники также обеспечивают высокие точности.

В общем случае геодезические кодово-фазовые приемники выполняют следующие функции :

- генерирование местных эталонных колебаний, опорных сигналов для частотных преобразований и измерений, дальномерных кодов;

- поиск, усиление и разделение сигналов, принадлежащих разным КА;

- слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерение псевдодальностей по каждому КА;

- аналого-цифровое преобразование данных;

- прием установочных параметров и маркеров, фиксирующих внешние события;

- выполнение необходимых оперативных расчетов;

- выдача соответствующей информации об установочных параметрах, некоторых результатах измерений, о наличии, состоянии и расположении спутников, о текущем времени и др.;

- синхронизация с внешними устройствами;

- прием поправок в псевдодальности от внешнего передающего устройства и генерирование поправок для передачи на другие приемники;

- хранение принятой и накапливаемой информации (встроенная память позволяет хранить информацию объемом ~1 Мб, а при сменных картах памяти ~20 – 40 Мб);

- сброс накопленных данных в персональные компьютеры для их дальнейшей обработки.

Для съемки инженерных коммуникаций подходят GPS-приемники 3 и 4 классов, так как они обладают достаточной точностью измерений и позволяют работать на застроенной территории за счет непрерывного слежения за несколькими спутниками одновременно.

3.1.2 МЕТОДЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЪЕМОК GPS ПРИЕМНИКАМИ

Для каждого метода геодезической съемки соответствуют разные ситуации ( таблица 6).

Таблица 6 – методы геодезических съемок GPS приемниками

Методы геодезической съемки	Соответствующие ситуации
Статическая съемка	Когда требуется измерение большой базовой линии и/или высокая точность
Быстрая статическая съемка	Когда требуется высокая точность на коротком расстоянии при ограниченном времени работ
Кинематическая съемка Стою – Иду (Stop and Go)	Когда требуется поведения наблюдений большого числа точек на коротком расстоянии при ограниченном времени работ
Непрерывная кинематическая съемка	Динамическая топографическая съемка
Кинематическая съемка в реальном времени (RTK)	Вынесение объекта в натуру, топографическая съемка и другие случаи, когда требуется получение точных координат большого числа точек в реальном времени

При проведении геодезической съемки для постобработки необходимо следовать нижеуказанным правилам:

·               Приемники, проводящие постобработку, должны работать синхронно;

·               Приемники, проводящие постобработку, должны работать с одинаковыми или общими интервалами эпох.

Статическая съемка является наиболее точным методом геодезической съемки. При статической съемке антенна устанавливается над точкой на штативе или другой неподвижной подставке. Используются, по крайней мере. два приемника: один на точке с известными координатами, а другой – на точке, координаты которой надо определить: наблюдения проводятся синхронно с одинаковыми интервалами эпох и при наличии, по крайней мере, четырех «общих» спутниках.

Хотя статическая съемка и является наиболее точным методом геодезической съемки, она требует и наибольшее время наблюдений. Время сеанса обычно составляет около одного часа: интервалы сбора данных длятся 30 секунд. Время сеанса наблюдений, впрочем, может варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и длины базовой линии. Несмотря на то, что статическая съемка может проводиться при использовании как одно так и двухчастотных измерениях, для одночастотных приемников длина базовых линий обычно ограничена 10 км. Двухчастотная съемка позволяет работать на базовых линиях длиной более 10 км и устраняет ионосферные погрешности. Для измерений на таких длинных базовых линиях вариант двухчастотных измерений просто необходим.

Статическая съемка требует синхронных наблюдений, по крайней мере, двумя приемниками. Для увеличения эффективности работы целесообразно проводить наблюдения на нескольких точках одновременно, используя для съемки соответственное количество приемников. С помощью программного обеспечения для постобработки можно одновременно анализировать и обрабатывать данные нескольких приемников.

В сравнении с другими методами геодезической съемки, статическая съемка требует большей продолжительности сеанса наблюдений. Вместе с тем надо отметить, что метод позволяет разрешить сопутствующие измерениям проблемы, такие как пропуск цикла и многолучевость, и обеспечить высокий уровень точности.

Быстрая статическая съемка в значительной мере то же самое, что и статическая съемка за тем исключением, что сеанс измерений может проводиться за более короткий период времени и требует двухчастотных GPS/ГЛОНАСС приемников.

В общем, быстрая статическая съемка является эффективной при длине базовой линии в пределах 10 км, времени синхронных наблюдений около 20 минут и периоде сбора данных 15 секунд. Однако, эффективная длина базовой линии и время сеанса может варьироваться в зависимости от количества отслеживаемых спутников, значения DOP(геометрического фактора ухудшения точности), наличия или отсутствия пропусков циклов, влияния многолучевости, а также других факторов и внешних условий.

Благодаря укороченному времени сеанса, эффективность работы в режиме быстрой статической съемки возрастает. С другой стороны объем полученных данных меньше, чем при статической съемке, так что точность и надежность результатов измерений может оказаться ниже.

Для увеличения точности получаемых данных используйте программное обеспечение для планирования работ, чтобы гарантировать достаточное количество спутников и хорошее значение DOP, а также другие оптимальные условия на период измерений. Осуществлять тщательную подготовку перед проведением измерений.

При кинематической съемке на базовой станции проводится статическая съемка в точности как это описано для метода статической геодезической съемки; при этом подвижная станция осуществляет набор данных во время движения. Различают два вида кинематической съемки: с остановками (Stop and GO) и непрерывная.

Так же как и при статической съемке, кинематическая съемка требует, чтобы спутниковые сигналы принимались одновременно, по крайней мере, двумя приемниками, причем, не менее четырех спутников было бы «общими». Один из приемников работает в качестве базовой  станции. Так же как и при статической съемке, эта станция осуществляет набор статических данных с помощью антенны, установленной на штативе или другой неподвижной подставке. Другой приемник установлен на подвижном основании и проводит набор полевых данных при помощи антенны, закрепленной на вешке или другом подвижном носителе. Как и при других методах съемки, процесс наблюдений может выполняться одновременно несколькими подвижными приемниками и одной общей базовой станцией.

При кинематической съемке в режиме Стою – Иду, повторно выполняются предельно короткие статические измерения (при остановке) и измерения в процессе движения, делая, таким образом, возможным съемку в большого количества определяемых точек. Так как этот метод требует непрерывного потока данных, необходимо контролировать непрерывное слежение за спутниками в процессе наблюдений и бесперебойную запись данных в процессе движения. Соответственно стремиться к наиболее благоприятным условиям наблюдений. При кинематической съемке время статического отрезка измерений чрезвычайно мало: как правило, время стояния на точке длится порядка одной минуты и содержит 12 эпох по пять секунд каждая. Чем больше время статического отрезка, тем выше будет точность полученных данных. Аналитические результаты, полученные этим методом, соответствуют местоположению, определенному статическим методом.

Непрерывная кинематическая съемка представляет собой метод безостановочной геодезической съемки и используется для достижения последовательного, высокоточного определения точек траектории движущегося тела и т.д. При этом методе аналитические результаты получаются для каждого интервала времени эпохи.

Кинематическая съемка в реальном масштабе времени (RTK) – это методика работ для получения точных координат в реальном времени, и требует специального контроллера для обработки и сохранения результатов. При съемке в режиме RTK так же, как и при кинематической съемке, один приемник служит в качестве базовой станции и осуществляет наблюдения с антенной, закрепленной на штативе или другой неподвижной подставке. Другой же приемник работает на подвижном основании и проводит измерения с антенной на вешке и перемещаемой по определяемым точкам.

В отличие от кинематической съемки с постобработкой, базовая станция и подвижный приемник, связаны при помощи радиотелеметрической системы или другой системы связи. Данные коррекции по фазе несущей и другие данные, получаемые на базовой станции, передаются на подвижный приемник через модем. Благодаря этим передаваемым данным и собственным данным, на подвижном комплекте немедленно проводится анализ данных по базовой линии, и сразу выдаются результаты вычислений.

Для проведения геодезической съемки в режиме RTK необходима инициализация контроллера, осуществляющего разрешение неоднозначности, инициализация может осуществляться даже в процессе движения.

3.1.3 ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ GPS ПРИЕМНИКАМИ

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0.6 м.

Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0.6 м.

Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.

Многопутность (многолучевость) распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле и это увеличивает ошибку при определении положения. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.

Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.

Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.

Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Если, например, приемник "видит” четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение, потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша. Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Предположим, что они расположены равномерно по сторонам горизонта – на севере, востоке, юге и западе. Тогда, очевидно, геометрия будет очень хорошей. Область, определяемая пересечением соответствующих прямых будет невелика и мы можем быть уверены в правильности рассчитанного местоположения.

Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS-приемника в городе, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся "видимыми” спутников (а от их количества – возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение. Хорошие модели GPS-приемников показывают не только сколько спутников находятся в зоне видимости, но и где они расположены на небе (направление и высоту над горизонтом) для того, чтобы определить, не экранируется ли сигнал от данного спутника.

Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки.

3.2 ЭЛЕКТРОННЫЕ ТАХЕОМЕТРЫ

На сегодняшний день на рынке электронных тахеометров существует широкий спектр приборов, отличающихся как по цене, так и по точностным характеристикам и выполняемым функциям. Все электронные тахеометры условно можно разделить на три основные группы:

1.Простейшие электронные тахеометры (рис.2). Это самые простые по выполняемым функциям электронные тахеометры. Запись данных производится, как правило, во внутреннюю память (если такая существует) или на внешний накопитель. Производят самые простые функции измерений и вычисления (горизонтальное проложение, превышение). Угловая точность таких приборов находится в пределах 5^” - 6^”, линейная около 3 – 5 мм. Дальность измерения расстояния не превышает 1100 – 1500 метров по одной призме.

Рисунок 2 – Внешний вид безотражательного тахеометра Topcon.

2.Ко второму типу электронных тахеометров относятся приборы среднего класса (электронные тахеометры Nikon,Trimble). Эти тахеометры несколько дороже, но получили наиболее широкое распространение. Они имеют встроенное программное обеспечение для производства практически всего спектра геодезических работ (развитие геодезических сетей, съемка и вынос в натуру, решение задач координатной геометрии: прямая и обратная геодезическая задача, расчет площадей, вычисление засечек). Угловая точность у таких приборов может быть от 1^” до 5^” в зависимости от класса точности.

3.К третьему типу можно отнести электронные тахеометры, оснащенные сервоприводом, что позволяет роботизировать процесс измерения. Эти приборы могут самостоятельно наводиться на специальный активный отражатель и производить измерения. В дополнение прибор с сервоприводом может оснащаться специальной системой управления по радио, чтобы съемку мог производить только один человек, находясь непосредственно на измеряемой точке. Подобная схема съемки увеличивает производительность проведения съемочных работ примерно нам 80%. Если прибор с сервоприводом имеет безотражательный дальномер, то получается система для съемок при проведении туннельных работ, съемки фасадов зданий, съемки карьеров, съемки поверхности дорог и других площадных объектов для построения ЦММ с высокой степенью точности. Также роботизированные системы могут быть использованы для слежения за деформациями объектов, съемки движущихся объектов и т.д.

Для производства исполнительных съемок вполне подходят электронные тахеометры среднего класса, так как для нанесения инженерных коммуникаций на топографический план не требуется высокой точности измерений. К тому же применение тахеометров, совмещенных с GPS-приемниками ( рис.3), значительно увеличивает производительность работ.

Рисунок 3–Внешний вид электронного тахеометра, совмещенного с GPS-приемником.

Электронный тахеометр необходим для создания съемочного обоснования и тахеометрической съемки.

3.3 ТРУБОКАБЕЛЕИСКАТЕЛИ

1.Трассоискатель «Сталкер - 2» (рис. 4) предназначен для определения местоположения и глубины залегания подземных коммуникаций, например, силовых кабелей и трубопроводов различного назначения, определения мест повреждения силовых кабелей, выявление мест несанкционированного подключения магистральным линиям, обследования территорий перед проведением земляных работ. «Сталкер - 2» позволяет определять положение проводника на глубине до 5 м и удалении до 10 км от места подключения генератора частот. Трассоискатель имеет три рабочие частоты и регулируемую выходную мощность, что дает возможность наиболее эффективно выбирать режим работы трассоискателя, фильтровать помехи и находить повреждения.

Рабочие частоты трассоискателя выбраны таким образом, чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость. Мини-датчик, подключаемый к приемнику, делает удобным использование трассоискателя при отборе жил в кабеле, а также при работе в каналах прокладки кабелей или внутри помещений.

Специальная передающая рамка обеспечивает бесконтактное (индуктивное) подключение к коммуникациям.

Трассоискатель «Сталкер - 2» имеет встроенный громкоговоритель, который генерирует сигналы различной громкости и частоты при изменении расстояния от проводника, что позволяет работать без наушников.

Прибор характеризуется высокой чувствительностью, несложным обслуживанием и прочной конструкцией.

Рисунок 4 – Внешний вид трассоискателя «Сталкер - 2».

2.Трассоискатель Seba KMT FL 10 (рис. 5) используется для точного определения местоположения и глубины залегания подземных линий электропередач и различных трубопроводов, выявления мест подключения к магистральным линиям.

Трассоискатель Seba KMT FL 10 имеет четыре частотных диапазона и может использовать звуковые частоты, что позволяет в значительной степени увеличить дальность и точность работы.

Возможность использования новых и традиционных методов локализации коммуникации, таких как метод минимума, метод максимума, запатентованный фирмой Seba KMT метод супер-максимума, делает этот прибор максимально удобным в работе. Трассоискатель оснащен системой определения направления трассы от генератора, автоматической и ручной регулировки усиления сигнала. Для точного определения параллельно проложенных трасс и обнаружения ответвлений в трассоискателе используется специальная система Signal Select, основанная на подаче сигнала звуковой частоты на испытуемый объект гальванически или индуктивно.

Генератор имеет регулируемую выходную мощность до 10 Вт. Основным достоинством этого генератора является возможность одновременной передачи трех частот и автоматическое согласование полного сопротивления трассы. Благодаря этому не нужно переключать генератор при поиске трассы.

Рисунок 5 – Внешний вид трассоискателя Seba KMT FL 10.

3.Трассоискатель Seba KMT FM 9800 (рис. 6) предназначен для определения местоположения и глубины залегания кабелей и металлических трубопроводов различного назначения. Уникальность данного трассоискателя в том, что он может работать как в активном режиме (с подключением генератора к трассе), так и в пассивном режиме (без использования генератора), при этом поиск можно вести на трех активных и двух пассивных частотах.

Для работы в активном режиме предусмотрено три частоты. Водонепроницаемый генератор мощностью 3 Вт может автоматически выбирать оптимальную частоту в зависимости от величины шлейфового сопротивления на участке поиска трассы. Также можно включить режим передачи всех имеющихся частот активного диапазона одновременно.

Все эти режимы работы генератора дают возможность проводить поиск трассы на большей глубине и большем расстоянии, чем при подборе частот вручную.

Основной особенностью трассоискателя является функция измерения относительного значения тока, что позволяет пользователю уверенно определять положение искомой коммуникации от соседних и параллельно проложенных трасс, а также обнаруживать возможные ответвления и подключения.

Для определения глубины залегания трассы достаточно нажать на кнопку измерения глубины, и на экране высветится глубина и значение тока проводника. Пользователю прибора не потребуется производить каких-либо дополнительных измерений или вычислений.

Рисунок 6 –Внешний вид трассоискателя Seba KMT FM 9800.

4.Трассоискатель Seba KMT Easylock (рис. 7) предназначен для поиска мест прохождения токопроводящих коммуникаций, обеспечивая возможность простого и точного их обнаружения. Данные приборы позволяют проводить поиск кабелей без подключения генератора. Достоинством прибора является возможность использования генератора в качестве металлоискателя, а также отображение всей необходимой информации на экране и автоматическое усиление чувствительности.

Приемник Easylock Е обнаруживает магнитные поля, излучаемые кабелями металлическими трубами. Место нахождения искомого проводника определяется по величине магнитного поля. Магнитное поле имеет максимальное значение непосредственно над проводником. Интенсивность принимаемого сигнала отображается на дисплее приемника в виде стрелочного указателя, что сопровождается звуковым сигналом.

В активном режиме, при котором магнитное поле в коммуникации создается передатчиком Easylock S, передатчик присоединяется к проводнику гальваническим методом, то есть при помощи кабеля, или индукционным методом, используя встроенную в передатчик антенну. Частота передаваемых сигналов составляет 39,2 кГц.

В пассивном режиме приемник принимает магнитные поля, индуцируемые переменным током, проходящим по трассе, или длинноволновыми передатчиками, которые индуцируют токи частотой в пределах от 15 до 23 кГц.

Трассоискатель также позволяет замерять глубину залегания кабелей и трубопроводов.

Рисунок 7 – Внешний вид трассоискателя Seba KMT Easylock.

Эти приборы позволяют выполнить поиск подземных коммуникаций, который предусматривает выявление их местоположения в период эксплуатации, т.е. когда коммуникации скрыты и на поверхности земли существуют лишь смотровые и регулировочные сооружения.