Глава XXV

Проектирование дорог по материалам аэрофотосъемки

§ XXV. 1. Стереомодель местности

Значительное сокращение ероков, уменьшение объемов и стои­мости полевых работ, а также повышение качества проекта автомо­бильных дорог достигается использованием материалов аэрофотосъе­мок, стоимость которых не превышает 6% стоимости изысканий для составления технического проекта.

Современные методы аэросъемки, фотограмметрических измерений и дешифрирования аэроснимков дают возможность определять исход­ные данные и вести разработки проектных материалов с точностью, вполне обеспечивающей определение объемов и стоимостей дорожно- строительных работ. В то же время в этом случае имеется лучшая возможность оценки местности и выбора вариантов трассы, чем при на­земных работах. Перенесение трассы в натуру при проектировании по материалам аэрофотосъемок выполняют на стадии рабочего проек­тирования.

Применение аэроизысканий в проектировании автомобильных дорог является предметом изучения специального курса «Аэрогеоде­зия и аэроизыскання», и поэтому в данной главе о них дается лишь об­щее представление, необходимое для целостного впечатления об их месте в системе проектно-изыскательских работ.

Основой для проектирования дорог являются аэроснимки, полу­ченные с самолета, совершившего ряд залетов по прямым линиям над местностью, в пределах которой должна быть проложена проек­тируемая дорога (рис. ХХУЛ). Съемки выполняют по договорам спе­циальные отряды Министерства гражданской авиации. Направление маршрутов намечают на основе воздушных рекогносцировочных об­следований местности, изучения мелкомасштабных топографических карт или имеющихся па район изысканий материалов аэросъемок прошлых лет.

Современные аэрофото- съемочные аппараты, как пра­вило, снабжены стабилизи­рующими устройствами, кото­рые обеспечивают автоматиче­ское сохранение практически отвесного положения оптиче­ской оси аэрофотоаппарата в течение всего процесса фото­графирования. Фотографиро­вание ведут с перекрытием изображения местности па смежных аэроснимках в на­правлении полета примерно на 60% и в поперечном направлении между снимками смежных маршрутов на 20—60%. В момент экспози­ции каждого снимка фиксируют также показания радиовысотомера и статескопа — приборов, показывающих высоту полета над мест­ностью и уровенной поверхностью. Масштабы фотографирования изби­рают в зависимости от целен проектирования, необходимой точности и условий местности (табл. ХХУЛ). При этом точность рисовки релье­фа не может быть большей чем 1/1000 высоты фотографирования.

Рис. ХХУ.1 Схема аэрофотосъемочных ра­бот:

/—маршруты аэрофотосъемки зоны трасснр,нза- ннн; 2 — участки аэрофотосъемки сложных мест трассы в крупном масштабе; 3 — варианты трассы

Трассирование дорог ведут по стереоскопической модели — про­странственному изображению поверхности земли, возникающему при стереоскопическом наблюдении двух надлежащим образом ориен­тированных взаимно перекрывающихся аэрофотоснимков. Для этого в обычном стереоскопе (рис, XXV.2) два смежных снимка (стерео­пару) располагают таким образом, чтобы левый приходился против левого глаза, а правый против правого. Соответствующие точки аэро­снимков должны быть расположены на линиях, параллельных базису глаз-линии, проходящей через центры зрачков, Стереопару ориенти­руют до тех пор, пока не будет достигнуто полное совмещение иден­тичных контуров и получена отчетливая видимость изображения мо­дели во всем поле зрения стереоскопа при правильном положении

Таблица XXV.] Назначение оьемки	Масштабы	съемки	Высота фотографи­рования, м
Разработка техническоге проекта
Трассирование:
средние условия местности	1:12 000—	1 :20 000	700—1 000
сложные условия местности	1.17 000-	1 < 25 000	1 000—2 000
Топографическая съемка и проектиро­
вание мостовых переходов:		1 ! 5 000
средние условия местности	1 :2 000—		200— 500
сложные услович местности	1 : 2 000—	1 : 5 000	350—1 000
Рабочее проектирование
Проектирование земляного полотна и
водоотвода
средние условия местности	1 : 1 000—	1 :3 000	200— 500
сложные условия местности	1 : 2 000-	1 : 4 000	200— 700

видимой на стереомодели гидрографической сети относительно гори­зонтальной поверхности.

Последовательное построение стереомодели парами из смежных снимков позволяет рассматривать под стереоскопом стереомодель по каждому маршрут у залета. При использовании специальных фотограм­метрических приборов (аэропросктор-мультиплекс) из взаимно ориен­тированных снимков может быть образована общая стереомодель все­го маршрута.

Изображение полученных при залете аэроснимков сложных участ­ков трассирования приводят 'при помощи специальных приборов — фототрансформаторов к одному масштабу в горизонтальной проекции, устраняя влияние различных наклонов снимков, рельефа местности и неизбежных колебаний высоты полета самолета. Для проектиро­вания дорог аэроснимки трансформируют, приводя фотоизображения местности к заданному масштабу только в зоне приложения дороги. При этом исходят из показаний радиовысотомера и статоскопа — при­бора, показывающего колебания в высотах полета самолета в момент аэрофотографирования.

Для образования на фотограмметрических приборах нормально ориентированной в пространстве стереомодели и для трансформиро­вания аэроснимков при проектировании дороги аэроснимки предва­рительно взаимно ориентируют, а затем уровенную поверхность об­разованной в некотором масштабе стереомодели приводят в горизон­тальное положение, чем выполняют внешнее ориентирование стерео­модели. Для этого необходимо знать точное положение на местности не менее трех опознаков — хорошо различимых на снимках контур­ных точек местности, координаты и отметки которых известны. При от­сутствии на местности характерных контурных точек и в сильно за­лесенной местности опознаки обозначают на местности до начала аэ­росъемочных работ, вырубая просеки, устраивая искусственные зна­ки из бревен и камней, отрывая мелкие широкие канавки в виде кру-

Рис XXV.2. Стереоскоп Л-3юв, прямоугольников или крестов со стороной 7—10 м и обсыпая их для лучшей видимости известью.

Опознаки должны быть удалены друг от друга не более чем на 10—20 базисов фотографирования, а на сложных участках и мостовых перехода к—на 4—6 базисов. (Базис фотографирования— расстояние между центрами проектирования смежных аэроснимков.) Координаты опознаков определяют методами полевой, камеральной или воздуш­ной привязки аэроснимков.

При базисе фотографирования снимков 900—1800 м, принимаемом для составления технического проекта, опознаки должны распола­гаться в пределах 10—35 км друг от друга. При полевой привязке снимков на местности разбивают специальную съемочную сеть или производят привязку опознаков к государственной опорной сети при помощи геодезических инструментов. Наиболее пригодны для этой цели инструменты, позволяющие с высокой точностью измерять большие расстояния, например радио- и светодальномеры.

При камеральной привязке аэроснимков координаты контурных точек местности устанавливают по имеющимся топографическим картам. Аэроснимки целесообразно привязывать к точкам, высоты ко­торых указаны на карте отметкой. Для высотной привязки исполь­зуют также уровни изобразившихся на аэроснимках водных поверх­ностей. При воздушной привязке аэроснимков могут быть исполь­зованы радиогеодезические методы измерений с аэрорадионивелиро- ванисм. Их обычно зедут одновременно с аэросъемкой.

При проектировании дорог целесообразны наиболее дешевые и производительные камеральные методы привязки аэроснимков.

Трассирование автомобильных дорог по стереомоделям с полу­чением всех данных, необходимых для составления проектов, ведут на фо.ограчмефнчсских приборах — чаще всего на стереометрах. Аэ­роснимки, закладываемые в стереометры, ориентируются при помощи имеющихся н приборах коррекцпонных устройств по высотам ориен­тирующих точек с:ереопары. При ориентировании в приборах аэро­снимков уровней плоскости модели должна быть придана надлежащая горизонтальность Необходимо также обеспечить соблюдение точности измерения расстояний и превышений по трассе.

Если опознаки, положение которых точно определено, располо­жены на большом расстоянии друг от друга, производят плапово-вы- сотное сгущение опорной сети, выполняемое также фотограмметри­ческими методами. Предложен ряд способов фототриангуляции или фотополигонометрии, которые позволяют получать необходимое ко­личество дополнительных ориентирующих точек с известными пла­новыми координатами, обеспечивающими проектирование дорожного полотна в плане с заданной точностью. Сгущение высот производят способами неискаженной модели, ЦНИИГАиК и другими методами, описанными в литературе по аэроизысканиям и фотограмметрии.

Наиболее точные результаты для любых условий местности дает сгущение планово-высотного обоснования аэроснимков методом про­странственной фототриангуляции. Его производят либо на универ­сальных приборах, либо аналитически с использованием высокоточных

1 77

в й стереокомпараторов и элек­

тронных вычислительных ма­шин. Результаты сгущения планово-высотного обоснова­ния используют для внешнего ориентирования модели или аэроснимков на различных фотограмметрических прибо­рах.

Для выполнения различ­ных нроектно-изыскательских работ стереомодель местности необходимо ориентировать. Для этого, изменяя ее про­дольные и поперечные накло­ны к горизонту, добиваются соответствия на ней высотно­го размещения опознаков тем превышениям, которые были вычислены по высотам этих точек. Одновременно с этим уточняют масштабы изобра­жения местности на снимках" в зоне трассирования, по которым в дальнейшем измеряют расстоя­ния в плане между точками трассы или местности.

Для проектирования по стереомодели необходимо уметь определять по ней превышения и уклоны между различными точками местности. Рассмотрим способы их определения для случая, когда снимки го­ризонтальны, а их центры проектирования расположены на одном уровне (рис. ХХУ.З). Обозначим базис фотографирования этих сним­ков (расстояния между центрами фотографирования смежных сним­ков) В.

Если прннять за оси абсцисс обоих снимков направления вдоль базиса фотографирования от главной точки 0 каждого снимка, то аб- циссы некоторой точки Л, расположенной на поверхности 01 = 0ц, принятой на снимках отсчета за уровень для превышений, будут рав­ны на первом снимке -\-х', на втором (—х'), Из геометрических :оотношенип (с учетом знаков отрезков) получим

Х4-*г = (*о—*о)то, (XXV.1)

где т_а — характеристика масштаба участка аэроснимка, на котором рас- положена точка А, равного 1 : т_д. Причем т₀ = -у.

Алгебраическую разность абсцисс точки А на снимках (х'о —Хо) — .= р₀ называют продольным параллаксом точки А, Из уравнения (XXV. 1) вытекает важное следствие

Рис ХХУ.З. Схема к определению превыше­ния уровней между различными точками местности

Ро = Ха-хо = -2—=Ь_в, ^то

т. е., что продольный параллакс какой-либо точки является базисом фотографирования местности, выраженным в масштабе изображения этой точки на снимке. Очевидно, что все точки аэроснимка, распо­ложенные в одной горизонтальной плоскости, имеют одинаковые продольные параллаксы. На этом свойстве основана рисовка рельефа по стереомодели при аэрофототопографических съемках местности. Для точки С, имеющей большую отметку, чем А, продольный парал-

В

лаке равен х₀ — хд = р_а = —.

05

Из чертежа видно, что точки С и А имеют равные продольные параллаксы. Превышение точки С над точкой Л, обозначаемое Н_с, может быть найдено из разности продольных параллаксов точек Си А:

Ар = р_с-р₀ = Ьс-Ь₀=-^ ,

"о - »а("о-^Лс>

Так как В — ^^ то после подстановки его значения в предыду­щее выражение получим

Ар — ■ ^/'^сЬо -, (XXV.2)

н₀-н_г

откуда

(ХХУ.З)

"о

Продольные параллаксы измеряют при стереоскопическом наблю­дении точек на фотограмметрических приборах. • Для определения разности продольных параллаксов на аэроснимках в полевых условиях применяют прозрачные параллактические пластины, обеспечиваю­щие измерение с ошибкой, не превышающей ± = 0,05 мм. Более точное определение координат точек и продольного параллакса можно получить с помощью стереокомпаратора.

Для учета обычно встречающейся на практике негоризонтальности снимков и различия в высотах полета в измеренную разность продоль­ных параллаксов на таких снимках необходимо вводить поправки. В наиболее совершенных фотограмметрических приборах это выпол­няется автоматически при помощи специальных коррекцнонных устройств,

§ ХХУ.2. ТРАССИРОВАНИЕ ДОРОГ ПО СТЕРЕОМОДЕЛЯМ

Трассирование дорог по стереомодели выполняют в несколько эта­пов. Предварительно оценивают местность е точки зрения возможности проложения дороги—дешифрируют аэрофотоснимки, анализируют грунтовогидрологические условия местности, оценивают устойчи­вость и крутизну склонов и т. д. Эта оценка достаточно надежна, так как современные методы дешифрирования аэроснимков под стерео-

179

скопом позволяют получить достаточно надежную оценку природ­ных условий района проложения трассы. Используя прямые признаки дешифрирования — форму, размеры, тон, тени и структуру изобра­жения объектов, удается камерально установить почти все изображен­ные на снимках элементы местности, важные для размещения трассы (рис. ХХУ.4). Основываясь на косвенных признаках дешифрирования и сопоставления аэроснимков с эталонными снимками хорошо изучен­ных участков, удается получить характеристики грунтовых и гидро­геологических условий по различному на моделях микрорельефу местности, и особенно растительному покрову, являющемуся хорошим индикатором увлажнения местности. На аэроснимках весьма ярко выделяются границы заболоченных пространств, солончаки, такыры, песчаные аллювиальные отложения, оползневые участки, осыпи, места распространения карстов и др.

Следующий этап проектирования — установление возможных направлений трассы с примерной оценкой продольных уклонов, не­обходимых радиусов кривых и т. д. Эту работу с достаточной степенью точности можно вести под стереоскопом по снимкам, пе имеющим планово-высотного обоснования. При равнинном и холмистом рельефе, используя пространственное изображение местности, намечают поло­жение углов поворота трассы и специальными прозрачными шабло­нами подбирают положение клотоидных или круговых кривых трас­сы (рис. XXV.5). В сильно пересеченной и горной местностях фасси- ровапие ведут на стереометре СТД-2.

Рис. ХХУ.4. Аэрофотоснимок в масштабе 1 : 18 000:

/ — поселок, 2 — автомобильная дорога; 3 — железная дорога; — переезд ~тере-> железную дорогу; 5 - грунтовые доро1и; « — пашня; 7 — лиственный лес; 8 —хвойный лес; 9 — луг| 10 — овраг, 11 — просека

Рис, XXV.5. Прозрачные шаблоны для подбора кривых трассы по стереомодели

местности:

а — !,р> гов„!.ч; 5 — клотоидных; в — стереошаблон кривых

По направлению наиболее выгодного варианта на переомодели избирают точное положение трассы с разбивкой пикетажа и после­дующим определением отметок. В простейших случаях, когда пре­дельные допустимые уклоны могут встречаться редко, лишь па отдель­ных трудных участках местности, направление трассы задается из общих требований соответствия его воздушной линии. Продольные уклоны проверяют, используя превышения //„ одной конечной точки

под другой и расстояние между ними Ь = где I — расстояние иа

снимке между этими точками; / — фокусное расстояние аэрофото­аппарата.

Рабочие отметки дороги на участках насыпей и выемок определяют Но уравнению (XXV.2) по измеренным разностям продольных парал­лаксов землн и поверхности дороги.

В сложных условиях рельефа, когда уклоны местности по крат­чайшему направлению превышают допускаемые, прибегают к раз­витию трассы, прокладывая на стереомодели линии заданного уклона.

В зависимости от применяемой аппаратуры используют разные методы пространственной укладки трассы на стереомодели. Для неко­торых фотограмметрических приборов отечественного производства имеются приспособления, которые позволяют вести марку прибора под заданным продольным уклоном.

Проектировщик должен лишь перемещать марку в направлении трассирования, чтобы она касалась поверхности пространственной сте­реоскопической модели. Отмечая на снимке карандашом характерные

точки линии заданного уклона трассы, уложенной по стереомодели, получают первое приближенное положение трассы, которое затем уточняют, спрямляя отдельные участки и вписывая кривые в изобра­жение местности на стереомодели прозрачными шаблонами кривых. Истинный радиус подобранной кривой трассы определится по формуле

Я = г_ьт _ср) (ХХУ.4)

где Г( — радиус кривой шаблона; т_ср — знаменатель среднего масштаба изображения точек местности, разместившихся в пределах кривой.

На других приборах для проведения такой линии стереомодели придают в направлении трассирования заданный «руководящий» уклон. Тогда проложение линии заданного уклона достигается при горизон­тальном перемещении марки прибора. Такой метод целесообразен в сложных условиях рельефа при развитии линии по склонам. Посколь­ку разные участки местности имеют различные продольные уклоны и использование максимальных продольных уклонов не является обя­зательным во всех случаях, работу ведут по участкам, изменяя по мере надобности наклон стереомодели.

По намеченной на аэроснимках трассе разбивают пикетаж и про­водят фотограмметрическое нивелирование. В местах, где дорога будет проходить в выемках или в насыпях, проекция трассы на поверхность стереомодели отличается от линии, огибающей рельеф местности (рис. ХХУ.6). Потому измерение расстояний и фотограмметрическое нивелирование ведут по ортогональному следу трассы па аэроснимке (ломаная линия атпк на рис. ХХУ.6).

Ортогональный след трассы находят на стереомодели по основным высотным переломам местности вдоль линии трассы, вычерченной на аэроснимках. Поскольку земляное полотно имеет относительно небольшую величину, плановые смещения отыскивают только для основных переломов профиля местности, принимая ортогональный след между смежными переломными точками прямолинейным. Иссле­дования показали, что это практически не вызывает погрешностей, если смещения ортогонального следа, связанные с разницей высот

смежных точек, не превышают на аэроснимке 0,3 мм.

Разбивка пикетажа при фото­грамметрическом проектировании требует большой внимательности. Она включает в себя фиксирование переломных точек трассы в плане и профиле, определение точного масштаба снимков, измерение ли­ний и углов трассы, нахождение характерных поперечников, опре­деление положения главных точек горизонтальных кривых, расстанов­ку километров и вычисление пи- Рис ХХ\'.6. Ортогональный след кетного положения всех рассгав- трассы на стереомодели и аэроснимке ленных по трассе точек. 182

Масштаб каждого аэроснимка устанавливают по фокусному рассто­янию аэрофотоаппарата и по высоте фотографирования, которую определяют над средней по высоте точкой участка трассы, располо­женного в пределах снимка. Измерения расстояний на фотоснимках ведут короткими участками не более 2 см, суммируя промеренные рас­стояния и рассчнтыва я по таблицам элементы круговых и переходных кривых. Последнее особенно важно при клотоидном трассировании, Углы поворота трассы измеряют транспортиром или вычисляют по измеренным сторонам построенного при вершине угла вспомогатель­ного треугольника.

В настоящее время разработаны программы определения планового и высотного положения всех точек трассы на электронных вычисли­тельных машинах. В машину вводят координаты всех характерных точек трассы и аэроснимков, а затем находят расстояния между ними, величины углов поворота трассы, основные элементы клотоидных и круговых криуых, пикетажное положение точек трассы.

Фотограмметрическое нивелирование выполняют по точно ориенти­рованным на стереоприборе аэроснимкам. Могут быть использованы стереометры, стереопроекторы, стереографы и другие приборы. До нивелирования должны быть проведены детальная укладка трассы, дешифрирование и привязка аэроснимков, сгущение планово-высот­ного обоснования аэросъемки и ориентирование снимков на стерео- приборе.

Нивелирование основано на приведенной выше формуле продоль­ных параллаксов. Для передачи отметок е одной стереопары на дру­гую используют общие для них связующие точки. Параллаксы каждой точки измеряют дважды. Нивелирование проводят в двух направлениях. Участки, покрытые лесом или кустарником, нивелиру­ют по их поверхности, вводя потом в полученные отметки необходи­мые поправки на высоту растительного покрова, Для этого исполь­зуют даннце определения высоты деревьев на участках, где рядом с деревьями видна поверхность земли.

Существует большое количество разного рода вспомогательных приборов и приставок, облегчающих и упрощающих фотограм­метрическое нивелирование и вычерчивание продольного профи­ля трасс.

На особо сложных участках трассирования проводят специальные крупномасштабные аэрофототопографические съемки, па основе ко­торых получают топо) рафнческие планы местности с зарисованным рельефом При изысканиях автомобильных дорог топографические съемки, как правило, выполняют стереофотограмметрическим ме­тодом.

Рисовку горизонталей на приборах начинают с наиболее низких мест, На крутых склонах обычно вначале рисуют основные горизон­тали, кратные 2 или 5 м, а затем в их промежутках остальные в соответствии с принятой высотой сечения рельефа местности (,к 0,5—1 м).

Стереомодель позволяет получить и другие данные, необходимые Для проектирования дороги.

Площади водосборных бассейнов определяют планиметром на аэро­фотоснимках или фотосхемах после нанесения под стереоскопом водо­разделов по приближенно ориентированной стереомодели.

Цену деления планиметра определяют исходя из среднего масштаба изображения на снимках границ бассейна. Наиболее точно опреде­ляются площади бассейнов или их участков, симметрично размещен­ных относительно центра снимка,

Уклоны тальвегов бассейнов устанавливают по хорошо ориенти­рованной на фотограмметрическом приборе стереомодели. Расстояние между ближайшими точками таких определений должно быть не меньше

/ ₌ I

т1п . . . » Д'ш1п Ь

где 6АР1 — предельная сшибка определения разностей продольных плэал- лаксов на приборе, А'пнп — предельная допускаемая ошибка в определении уклона тальвега; Ь — базис фото! рафировання в масштабе снимка.

Указанное условие должно быть обеспечено и при проектировании на стереомодели водоотводных и нагорных канав. Нагорные канавы целесообразно укладывать путем проведения на стереомодели линии заданного уклона маркой прибора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Федоров В. И. Аэроиэвскания автомобильных лорог и мостовых переходов, М , «Транспорт», 1975. 200 с

Шилов П. И , Федоров В. И. Инженерная геодезия и аэро­геодезия. М., «Недра», 1971. 384 с.