Воздушные лазерные системы в городском кадастре

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

РЕФЕРАТ

кадастровый лазерный сканирование съемка

Исследовательская работа содержит 61 страницу, 8 рисунков, 5таблиц, 34 использованных источника.

ВОЗДУШНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ, ГОРОДСКОЙ КАДАСТР, ХАРАКТЕРИСТИКА, КАДАСТРОВЫЕ РАБОТЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПЕРСПЕКТИВЫ, АНАЛИЗ, ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ.

Объектом исследования являются системы воздушного лазерного сканирования.

Целью работы является обобщение и анализ информационных материалов по областям применения, принципам построения и функционирования воздушных лазерных систем, применяемых для топографо-геодезического обеспечения ведения государственного кадастра недвижимости.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением реферативного метода, аналитического метода, метода описательной статистики.

В результате исследования, мы попытались провести анализ принципов построения, функционирования и основных характеристик воздушных лазерных средств, их основные преимущества и недостатки. Основными практическими достоинствами использования технологии лазерного сканирования по сравнению с традиционными наземными методами топографической съемки являются: высокая производительность; возможность выполнения работ в труднодоступных и недоступных для наземной съемки районах; гибкость метода привязки в различные системы координат; отсутствие необходимости выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию; использование различных лазерно-локационных данных при дешифрировании для полного отображения качественных и количественных характеристик объектов; существенное снижение финансовых затрат.

ВВЕДЕНИЕ

Современный город это динамически развивающаяся система. На его территории постоянно строятся новые дома, заводы и другие объекты, сносятся старые постройки, изменяется количество зеленых насаждений и

т. д. Среди многих задач, связанных с управлением территориями, можно выделить обновление генерального плана, мониторинг застройки и зеленых насаждений. Для их решения необходимо использовать методы и алгоритмы, позволяющие оперативно и достоверно выявить изменения, происходящие на местности.

В зависимости от целей и задач кадастровых работ используют разные геодезические методы, технологии и приборы, при правильном выборе которых эффективность выполнения работ повышается.

Применение воздушных лазерных систем позволяет существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов и не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки.

Таким образом, работа, посвящённая воздушным лазерным системам и их применению при ведении кадастра на землях населённых пунктов, является актуальной.

Целью работы является обобщение и анализ информационных материалов по областям применения, принципам построения и функционирования воздушных лазерных систем, применяемых для топографо-геодезического обеспечения ведения государственного кадастра недвижимости.

Для достижения поставленной цели необходимо решать следующий комплекс задач:

раскрыть содержание геодезического обеспечения при проведении кадастровых работ: его основные задачи, вопросы межевания земель, точности определения границ земельных участков и располагающихся на них объектов недвижимости;

рассмотреть основные способы получения топографических материалов, используемых в кадастре: наземные съёмки и дистанционное зондирование Земли;

провести анализ принципов построения, функционирования и основных характеристик воздушных лазерных средств.

привести основные преимущества и недостатки воздушных лазерных систем.

Объектом исследования являются системы воздушного лазерного сканирования.

Предмет исследования: применение лазерных систем для сканирования застроенных территорий.



1.ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАДАСТРОВЫХ РАБОТ

1.1 Основные задачи геодезии в кадастровых работах

Обеспечение Государственного кадастра недвижимости (ГКН) и Градостроительного кадастра, землеустройства и мониторинга земель основывается на картографических материалах, материалах инвентаризации земель, межевания и кадастровых съемок, которые используются при составлении планов земельных участков, прилагаемых к документам, удостоверяющим права на эти участки [28,29].

Геодезические работы имеют важное значение для создания кадастров, т. к. вся информация о земельных участках и недвижимости должна иметь пространственную привязку. К таким работам относится межевание земель, которое представляет собой комплекс работ по установлению, восстановлению и закреплению на местности границ земельного участка, определению его местоположения и площади. Можно выделить несколько видов топографо-геодезических работ:

создание фонда картографических и геодезических материалов, включающего топографические карты (планы);

каталоги координат пунктов государственной геодезической сети (ГГС), съемочных сетей;

каталоги координат опорной межевой сети (ОМС) и межевых знаков;

кадастровые карты (планы);

кадастровые съемки.

В зависимости от назначения кадастра кадастровые съемки производят в тех же масштабах, теми же способами и с той же точностью, что и топографические. Базовым является масштаб 1:500, наиболее широко используемым 1:2000, обзорно-справочным 1:100 000 и мельче [2].

На кадастровых картах и планах изображают:

границы земельных участков, владений, сельскохозяйственных и других земельных угодий;

кадастровые номера и наименования земельных участков;

дают экспликацию (описание) категорий использования земель и другие кадастровые сведения. Кадастровые карты и планы могут не содержать информацию о рельефе местности;

инвентаризация земель.

В процессе инвентаризации земель и недвижимости, а так же комплексных кадастровых работ осуществляется сбор и анализ имеющихся картографических, кадастровых, землеустроительных, правовых и других материалов, обследуются границы земельных участков, определяется характер использования земель;

определение площадей земельных участков. Площади земельных участков вычисляют, в основном, аналитическими методами по координатам межевых знаков. В отдельных случаях используют картографические материалы;

отвод земельных участков. Отвод земельного участка -- это процесс установления территориальных границ на основе утвержденного административного решения о предоставлении в пользование (владение) участка заданной площади. Граница земельного участка - это фиксированный пространственный объект, главная функция которого - юридически и технически отделять земли данного участка от земель смежных территорий [6].

По характеру обозначения в натуре или на картографической основе следует различать два типа границ:

естественная граница - ее положение совмещено с существующими постоянными объектами местности (водоток лощины, бровка оврага, стена капитальной постройки и т. д.); такая форма границ не требует специального закрепления на местности, ее отображение на картографической основе получают путем дешифрирования аэрокосмических снимков или методами наземной съемки характерных точек;

условная граница (?суходольная?) -- ее линии на местности обозначены специальными межами, закрепленными межевыми знаками.

Для составления кадастровых планов выполняют различные виды топографических съемок в зависимости от назначения кадастра и градостроительных условий города. Особенности кадастровых съемок обусловлены содержанием и точностью кадастровых планов, формой их представления, а также объектами съемок.

Тахеометрическая, фототопографическая и аэрокосмическая съемки, а также спутниковые технологии находят широкое применение в кадастре.

Кадастровые планы различного назначения и масштабов составляют

на земельный участок или соответствующую учетную единицу (город, район, квартал, улицу), их стыковка осуществляется по общим границам.

Тематические кадастровые карты (почвенная, геоботаническая и др.) - создаются на основе карты земель района и отображают информацию, соответственно, о видах и свойствах почв, а также о растительности.

Кадастровые планы городов должны составляться в единой государственной системе координат[1], что позволяет обеспечить создание единого банка данных и возможность хранения информации об объектах в виде цифровых данных.

В настоящее время для сбора и обработки информации о территориях

с плотной городской застройкой и большими массивами прилегающих земель используются спутниковые технологии ГЛОНАСС / GPS в комбинации с цифровыми фотограмметрическими системами, например, PHOTOMOD (Россия) и др. [7].



1.2 Земельно-кадастровые работы

В соответствии с Федеральным законом «О Государственном кадастре недвижимости» межевой план представляет собой документ, который составлен на основе кадастрового плана соответствующей территории или кадастровой выписки о соответствующем земельном участке. В межевом плане должна быть отражена определенная информация, внесенная в Государственный кадастр недвижимости, и указаны сведения об образуемом земельном участке или земельных участках, либо о части или частях земельного участка, либо новые сведения о земельном участке или земельных участках, необходимые для внесения в Государственный кадастр

недвижимости. В результате кадастровых работ по разделу, перераспределению или выделу из существующих земельных участков или из земель, находящихся в муниципальной (государственной) собственности,

возникают образуемые земельные участки. Кадастровые работы так же проводятся и в связи с уточнением местоположения границ или площади существующего участка. Измененными считаются земельные участки, в отношении которых проведен выдел в счет доли собственности, либо после раздела единого землепользования.

Межевание земельного участка -- комплекс работ по установлению,

восстановлению на местности границ земельного участка с закреплением поворотных точек межевыми знаками и определением их плоских прямоугольных координат, а также площади земельного участка.

Межевание проводят:

на техническом этапе реализации утвержденных проектных решений о месторасположении границ земельных участков при образовании новых или уточнении существующих землепользователей;

для уточнения местоположения на местности границ земельного участка при отсутствии достоверных сведений об их местоположении путем согласования границ на местности;

для выполнения работы по восстановлению на местности границ земельного участка при наличии в Государственном кадастре недвижимости сведений, позволяющих определить положение границ на местности с нормативной точностью межевания.

Основаниями для проведения межевания могут служить:

постановления федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации или органов местного самоуправления о проведении межевания;

задания на проведение межевания;

судебные решения.

Состав работ при межевании земельных участков обычно включает:

подготовительные работы;

составление технического проекта;

уведомление лиц, права которых могут быть затронуты при проведении межевания (если нужно);

определение положения границ земельного участка на местности, их согласование (если необходимо) и закрепление межевыми знаками;

определение плоских прямоугольных координат межевых знаков;

межевую съемку земельного участка;

определение площади объекта землеустройства;

составление межевого плана с актом согласования местоположения границ земельного участка в случае выполнения кадастровых работ с целью уточнения границ;

формирование межевого плана;

утверждение межевого плана у заказчика.

При межевании должны быть учтены данные Государственного кадастра недвижимости, правоустанавливающих документов, а также других документов, связанных с использованием, охраной и перераспределением земель.

Работы по межеванию земельного участка выполняют на основании договора подряда на выполнение кадастровых работ утвержденного заказчиком, в котором указывают:

месторасположение (адрес) земельного участка и его площадь;

основания для проведения межевания;

сведения о кадастровом инженере.

Межевую съемку земельных участков выполняют традиционными

геодезическими способами, которые используют при топографической съемке местности [6].

Так же определение координат характерных точек границ земельных участков, а так же расположенных на них объектов недвижимости, может производиться методом спутниковых геодезических измерений, фотограмметрический, картометрическим и аналитическим методом с точностью не ниже указанной в таблице 1.1. При определении местоположения характерных точек фотограмметрическим и картометрическим методами величина среднеквадратической погрешности (СКП) принимается равной 0,0005 м в масштабе картматериала [25].

Состав межевого плана в зависимости от вида кадастровых работ, связанных с образованием земельных участков различными способами, различается. Земельные участи могут быть образованы:

из земель, находящихся в государственной собственности;

в результате раздела исходного земельного участка;

в результате раздела выдела земельного участка в счёт доли в общей долевой собственности;

в результате объединения земельных участков;

в результате перераспределения исходных земельных участков;

Например, при земельно-кадастровых работах, связанных с образованием земельных участков из земель, находящихся в государственной или муниципальной собственности, неотъемлемой частью отчёта о проведены работах будет являться схема расположения земельного участка на кадастровом плане территории. Либо, если для размежёвываемой территории принят проект межевания территории, то границы участка будут устанавливаться в соответствии с ним.

Таблица 1.1 - точность определения границ земельного участка

Категория земель, разрешённое использование	СКП, не более, м
Земли населённых пунктов	0,10
Земли сельхозназначения и предоставленные для ЛПХ, дачного хозяйства, огородничества, садоводства, ИЖС, индивидуального гаражного строительства	0,20
Остальные земельные участки из земель сельхозназначения	2,50
Земли промышленности и иного спец.назначения	0,50
Земли особо охраняемых территорий и объектов (ООТиО)	2,50
Лесной фонд, водный фонд, земли запаса	5,00
Остальные земельные участки	2,50

При образовании земельного участка путём объединения двух исходных участков, стоящих на кадастровом учёте, геодезические работы могут вообще не проводиться, соответственно, в состав межевого плана не будет включаться схема геодезических построений и т.д.



2.ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗДУШНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ

2.1 Основные характеристики воздушных лазерных систем

2.1.1 Аэросъемочная система лазерного картографирования ALTM 3100

Лазерный сканер - это прибор, выполняющий измерения с помощью лазерного излучения. В настоящее время в большинстве случаев используется семейство аэросъемочных систем лазерного картографирования класса ALTM Существует множество разновидностей данных сканеров [23].

Основные возможности данного класса сканеров:

фиксация интенсивности отраженного сигнала (возможность работы в ночное время);

фиксация до 4 отражений одного посланного импульса (возможность разделения верха растительности и поверхности земли);

самая высокая производительность из коммерчески доступных на сегодняшний день систем лазерного картографирования (например, производительность авиационного лазерного локатора ALTM 3100 - до 1000 кв.км. за один рабочий день);

интегрируемость с цифровыми камерами, гиперспектральными сенсорами, регистраторами формы волны импульса для получения новых комплексных типов данных;

возможность использования с приемниками GPS и GPS/GLONASS различных производителей;

наличие согласованной схемы установки на отечественные летательные аппараты;

адаптация к российским условиям;

высокая экономическая эффективность использования в тех условиях, когда применение других методов крайне затруднительно, невозможно или ограничено сезонными факторами (безориентирная местность, сплошная листва, очень «плоский» рельеф и т.д.);

высокопроизводительное программное обеспечение для предварительной обработки лидарных данных DASHMap со встроенным 3D просмотром для визуализации и вывода XYZI данных;

навигационное программное обеспечение ALTM-NAV с возможностью использования цифровой модели рельефа (ЦМР) при планировании, отображением в реальном времени снимаемой территории, с прямым экспортом результатов в Googletm Earth и другие приложения.

Лазерный сканер ALTM поставляется с опциями компенсации крена, расширенной дивергенции и регистрации интенсивности и включает:

Бортовой навигационный комплекс.

Бортовой комплекс геодезического обеспечения GPS/GLONASS.

Приемник GPS Trimble 75 .

Воздушный лазерный сканер ALTM 3100 показан в приложении А.

Технические характеристики воздушного лазерного сканера ALTM 3100 представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Технические характеристики воздушного лазерного сканера ALTM 3100

Параметры	Значение
Частота зондирующего импульса	33 кГц 50 кГц 70 кГц 100 кГц
Высота полета при съемке	от 80 до 3500 м
Точность сканирования по высоте	не хуже 15 см при высоте 1200 м не хуже 25 см при высоте 2000 м не хуже 35 см при высоте 3000 м
Точность определения планового положения точек	лучше чем 1/2000 от высоты съемки
Ширина полосы съемки	от 0 до 93% от высоты съемки
Разрешение по дальности	1 см
Количество регистрируемых отражений лазерного импульса	4, включая последний
Регистрация интенсивности	12 бит динамический диапазон для каждого измерения
Угол сканирования	от 0 до +250
Компенсация крена	Номинально ±50, в зависимости от текущего значения поля зрения
Ширина полосы захвата	От 0 до 0,93ЧНм
Частота сканирования	0-70 Гц, зависит от угла сканирования
Распределение отражений на поверхности земли	Равномерно на протяжении 96% линии сканирования
Используемый бортовой навигационный комплекс	Applanix POSAV, модифицирован
Бортовой GPS приемник	Trimble 750
Расходимость лазерного луча	0,3 мрад или 0,8 мрад
Категория лазера	Class 4
Высота безопасного зрения	200 м при 0,7 мрад 400 м при 0,2 мрад
Влажность	0-95% без конденсата
Потребление	28 В переменного тока, 24 А в среднем, 35 А пиковое потребление
Диапазон рабочих температур: -сканирующий блок -стойка управления -при термостабилизации	от -100С до +350С от +100С до +350С от -300С до +550С
Габариты/Вес: -сканирующий блок -стойка управления	26Ч19Ч57см/23,4кг 65Ч59Ч49см/53,2кг

Аэросъемочная система лазерного картографирования ALTM 3100 самая точная, производительная и экономически эффективная (в своем классе) на сегодня система лазерного картографирования.

2.1.2 Воздушный лазерный сканер RIEGL LMS-Q680

Воздушный лазерный сканер RIEGL LMS-Q680 объединяет в себе мощный лазерный источник и запатентованную цифровую обработку полной формы волны RIEGL. Такая комбинация позволяет работать на больших высотах полета и поэтому идеально подходит для воздушного сканирования сложных территорий [23].

RIEGL LMS-Q680 дает доступ к подробным параметрам цели, путем оцифровки эхосигнала онлайн во время сбора данных, а также последующего анализа формы волны в режиме оффлайн. Этот метод является особенно ценным при выполнении сложных задач, таких, как определение высоты укрытий или классификация целей. Многократная обработка по времени позволяет использовать эхосигналы от цели, которые были пойманы вне диапазона однозначности, между двумя последовательными импульсами лазера.

Рабочие параметры RIEGL LMS-Q680 можно сконфигурировать так, чтобы охватить широкую область применения. Широкие возможности интерфейса позволяют легко интегрировать прибор в полную (законченную) систему воздушного сканирования. Воздушный лазерный сканер RIEGL LMS-Q680 показан в приложении Б.

Технические характеристики воздушного лазерного сканера RIEGL LMS-Q680 представлены в таблице 2.2.

Сканер является исключительно надежным и прочным устройством, идеально приспособленным для установки на летательный аппарат. Кроме того, он имеет компактную конструкцию и небольшой вес, достаточный для установки на одномоторные аэропланы, вертолеты и беспилотные летательные аппараты. Для работы прибора необходимы только источник питания и сигналы синхронизации GPS с целью обеспечения оперативного контроля при регистрации точно привязанных ко времени и оцифрованных эхо-сигналов. Регистратор данных RIEGL Data Recorder обеспечивает надёжную запись и сохранность данных в процессе измерения.



Таблица 2.2 - Технические характеристики воздушного лазерного сканера RIEGL LMS-Q680

Параметра	Значение
Частота зондирующего импульса	80 кГц 120 кГц 180кГц 240 кГц
Высота полета при съемке	от 1000 до 1600 м
Погрешность	20 мм
Отражательная способность	20%
Длина волны лазера	Ближний ИК диапазон
Регистрация интенсивности	16 бит динамический диапазон для каждого измерения
Угол сканирования	от 0 до +600
Компенсация крена	Номинально ±50, в зависимости от текущего значения поля зрения
Механизм сканирования	Вращающееся многогранное зеркало
Частота сканирования	до 160 Гц, зависит от угла сканирования
Растр	Параллельные строки развертки
Скорость сканирования	10-200 разверток в секунду
Угловое разрешение считывания	0,0010
Расходимость лазерного луча	?0,5 мрад.
Потребление	7А при 24 В постоянного тока
Питание	18-32 В постоянного тока
Габариты/Вес:	480Ч212Ч230 мм/17,5 кг

2.2 Перспективы развития и внедрения трехмерных ГИС и описания в государственном кадастре недвижимости объектов в трёхмерном пространстве

Развитие последних технологий ясно демонстрирует совершенствование методов сбора трехмерных данных о местности и объектах в отношении повышения точности и разрешения. К таким методам относятся: аэрокосмическая съемка и наземная стереофотограмметрическая съемка, воздушное и наземно-лазерное сканирование и GPS-съемка. На данный момент проводится много исследований, направленных на автоматизацию процесса реконструкции трехмерных моделей объектов. Для этих целей разработаны различные подходы, отличающиеся разрешением, точностью и стоимостью. Фотограмметрия является классическим и доминантным подходом для получения трехмерных данных. В этом случае построение трехмерных моделей объектов и картографирование территорий выполняется с использованием стереопар снимков. В последнее время снова возрастает популярность наземной стереофотограмметрической съемки объектов, где цифровые камеры применяются для получения крупномасштабных снимков, например, зданий. С развитием технологии цифровой обработки изображений повышается скорость обработки данных, снижается ее стоимость и увеличивается степень автоматизации процессов распознавания и реконструкции объектов по их изображению [27].

Кроме стереофотограмметрической обработки снимков с целью построения трехмерных моделей местности разработаны новые технологии получения трехмерной информации по одиночному изображению, используя геометрические свойства объектов и законы их отображения на плоскости, тени или комбинацию этих подходов. Эти технологии позволяют ускорить процесс обработки снимков и снизить ее стоимость по сравнению со стереоизмерениями. Имеющиеся на данный момент коммерческие программные продукты дают возможность создавать фотореалистичные модели городов и зданий по одиночным космическим или аэроснимкам. Лазерное сканирование на сегодняшний момент является самым быстрым и автоматизированным способом сбора пространственной информации. Использование воздушного и наземного лазерного сканирования обеспечивает быстрое и точное построение цифровой модели рельефа и определение высоты сооружений. Задача реконструкции сооружений состоит в определении положения и ориентации зданий, их размера, превышения точек местности, высоты крыш и т. д. Модели большинства зданий могут быть описаны достаточно детально с помощью многогранников, т.е. их границы можно представить набором плоскостей и прямых линий. Реконструкция зданий по данным лазерной съемки, также как и большинство задач выделения характерных особенностей изображений, может быть реализована в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Полуавтоматические процедуры основаны на использовании набора примитивов для описания стандартных типов зданий и крыш. В этом случае оператор «вписывает» соответствующий примитив в массив точек и соединяет его с общей моделью здания. Различные автоматические процедуры реконструкции зданий помогают оператору измерить отдельные элементы объекта и уточнить трехмерные каркасы моделей [27].

Сложность реконструкции зданий можно уменьшить, интегрируя данные, полученные со снимков и цифровой карты или ГИС. В этом случае информация о плановом положении сооружений берется с карты. Для получения высотной составляющей применяются два похода: используются стереопары снимков, либо данные воздушного лазерного сканирования. Развитие перечисленных методов получения пространственной информации об объектах, а также совершенствование аппаратной и программной части вычислительных систем привело к появлению трехмерных ГИС. Трехмерные ГИС часто называют виртуальными. Виртуальная ГИС может решать практически все задачи, которые на данный момент реализованы в традиционных ГИС. Таким образом, она может использоваться для городского планирования, оценки состояния растительности, почв, водных путей или дорожных участков, предсказания наводнений и многих других задач. Кроме того, возможность получения детального трехмерного вида отдельных объектов и территорий с любой точки открывает новые перспективы для пользователей ГИС. Проектировщики новых зданий и сооружений могут получить комплексный трехмерный вид ландшафта с предполагаемого места строительства объекта или виртуальный снимок спроектированного сооружения с соседнего здания. Архитекторы могут увидеть макет улиц, зданий и парков и, таким образом, определить границы строительных площадок, возможность возникновения дорожных пробок, оценить освещенность улицы в дневное и ночное время и т.д. Опыт выполнения работ по трехмерному лазерному сканированию и моделированию различных по назначению и сложности объектов позволил сделать вывод о следующих достоинствах трехмерных моделей по сравнению с традиционной картой или планом [27].

Информативность. Наличие третьего измерения само по себе говорит о том, что информационная нагрузка трехмерной модели на порядок выше, чем планов и карт. Однако не только этим фактом объясняется высокая информативность трехмерной модели. Во-первых, для города, заводов, площадок сложного технологического оборудования свойственно наличие многоярусных конструкций. Такие объекты из-за наслоения элементов невозможно отобразить детально на плоскости. В этом случае на топографическом плане для многоярусных конструкций, как правило, показывается либо нижний, либо верхний ярус. Во-вторых, многие объекты на плане отображаются в виде точечных условных знаков (например, пожарные гидранты), которые по определению не имеют ориентации. На трехмерной модели такие объекты будут выглядеть аналогично, как на местности (в соответствии с их высотой и направленностью). Отсутствие подобной информации может быть критическим, например, при проведении оперативных мероприятий по пожаротушению.

Наглядность. Традиционные планы содержат информацию о высоте в виде горизонталей, отметок точек местности и отдельных элементов оборудования, т.е. третья координата здесь представлена как атрибут, подпись или отдельный слой (например, слой цифровой модели рельефа). Такая форма отображения и хранения информации во многом затрудняет ее интерпретацию, как для человека, так и для вычислительной системы. Установлено, что 50% мозговых нейронов участвуют при обработке зрительной информации. Это говорит о том, что трехмерная визуализация стимулирует больше нейронов, вовлекая большую часть мозга в процесс решения проблемы. Например, при анализе информации с двумерных карт мозг должен сначала построить концептуальную модель рельефа и местности, прежде чем принять какое - либо решение. Трехмерное отображение симулирует пространственную реальность, позволяя наблюдателю более быстро оценивать и понимать ситуацию [27].

Непрерывность. Поскольку отметки на плане показываются только для характерных или контрольных точек, то такую форму графического или электронного представления местности можно назвать дискретной, в то время как трехмерная модель по своей сути является непрерывной. Точность и достоверность. По точности трехмерные модели не уступают, а в ряде случаев превосходят, традиционные карты и планы. Например, метод трехмерного лазерного сканирования и алгоритмы обработки его данных сами по себе подразумевают, что полученная модель будет более точной, поскольку метрические характеристики объектов определяются не по координатам двух-трех пикетов, а по совокупности множества измерений. Например, если по результатам лазерного сканирования построены две плоскости, отображающие стены здания, то, очевидно, что геометрически линия пересечения двух плоскостей будет определена значительно точнее, чем если бы координаты угла здания были получены по одному измерению, тахеометром на отражатель. Кроме того, безотражательный принцип работы сканера исключает ошибку неточной установки отражателя на объект. Запас точности трехмерной модели также вытекает из свойства ее непрерывности, так как плановые координаты и отметки промежуточных точек местности и оборудования можно получить не интерполированием и аппроксимацией, а непосредственным измерением. Например, в ряде стран с высокой стоимостью земли ведется разработка системы трехмерного кадастра, в которой плата за пользование землей рассчитывается не от площади земельного участка, а от его трехмерного объема. Таким образом, трехмерные ГИС рано или поздно вытеснят другие формы представления информации о местности [27].

Так же стоит упомянуть принятое Правительством РФ 01.12.2012 распоряжение №2236-р, утверждающее план мероприятий ("дорожную карту") "Повышение качества государственных услуг в сфере государственного кадастрового учета недвижимого имущества и государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним" [24], которым предусмотрено к 2018 году:

закрепить возможность внесения в государственный кадастр недвижимости сведений об объектах недвижимости (зданиях, строениях, помещениях и объектах незавершённого строительства) с описанием в трёхмерном пространстве;

определить правила внесения и построения трёхмерных моделей;

внедрить услугу по возможности внесения указанных сведений.

2.3 Сравнение традиционных съемок и лазерного сканирования

В настоящее время при проведении геодезических работ все чаще применяются современные лазерные технологии. В основе лазерного сканирования лежит способность луча лазера отражаться от наземных объектов или поверхности земли. Лазерное сканирование позволяет фиксировать абсолютно все особенности рельефа, максимально быстро получать трехмерную визуализацию даже труднодоступных объектов.

Всего в геодезии используются два вида работ: наземное и воздушное лазерное сканирование.

Наземное лазерное сканирование позволяет получать планы высокого уровня детализации, а также создавать трехмерные модели объектов.

При воздушном лазерном сканировании лазерный сканер размещают на воздушном судне, этот способ применяют в различных отраслях - от нефтегазовой промышленности до дорожного хозяйства.

Лазерное трехмерное сканирование делает возможной сплошную съемку объекта с большой скоростью и позволяет за малое время осуществлять большой объем работ с различными объектами, среди которых:

здания и строения;

предприятия со сложной структурой, в том числе химические предприятия, нефтегазоперерабатывающие комплексы и т.д.;

автомобильные и железные дороги и дорожные объекты, в том числе мосты, путепроводы, прилегающие зоны;

открытые и закрытые горные разработки;

ситуация и рельеф.

Трехмерное лазерное сканирование представляет собой новейшую технологию, обладающую такими преимуществами, как значительное сокращение сроков выполнения полевых работ, высокое качество и детальность съемки. При этом стоимость геодезических работ, проводимых в соответствии с данной технологией, вплотную приближается к цене традиционных методов. Первым результатом сканирования является облако точек, которое и несет максимум информации об исследуемом объекте, будь то здание, инженерное сооружение, памятник архитектуры и т.п. По облаку точек в дальнейшем, возможно, решать различные задачи:

получение трехмерной модели объекта;

получение чертежей, в том числе, чертежей сечений;

выявление дефектов и различных конструкций посредством сравнения с проектной моделью;

определение и оценка значений деформации посредствам сравнения с ранее произведенными измерениями;

получение цифровых топографических планов методом одновременной аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования.

При топографической съемке сложных промышленных объектов традиционными методами, исполнители часто сталкиваются с тем, что во время полевых работ бывают пропущены отдельные необходимые измерения. Обилие контуров, большое количество отдельных объектов и мелких деталей приводят к неизбежным ошибкам. Материалы, получаемые при лазерном сканировании, несут наиболее полную информацию о метрических данных объекта съемки, исключающую субъективные ошибки геодезиста [12].

Съемкой называется процесс геодезических измерений на местности, выполняемых для составления карт и планов. При горизонтальной съемке определяется взаимное плановое положение контуров и объектов - ситуации местности. Если кроме ситуации снимается рельеф местности, то съемка называется топографической. Наибольшее применение в качестве геодезической подосновы для архитектурно-строительного проектирования имеют топографические съемки крупных масштабов: 1 : 500, 1 : 1000,

1 : 2000, 1 : 5000 [22,8].

Один из видов наземной топографической съемки, осуществляемой с помощью теодолитов или тахеометров - это тахеометрическая съемка.

Тахеометрическую съемку применяют для создания планов или цифровой модели местности участков в крупном масштабе для ведения государственного кадастра недвижимости, для планировки сельских населенных пунктов, проектирования отводов земель, мелиоративных и противоэрозионных мероприятий, трассирования линейных сооружений и др. [9].

Перед тахеометрической съемкой на основе существующей геодезической сети строят съемочную сеть до густоты пунктов, обеспечивающей положение на территории съемки тахеометрических ходов с соблюдением технических требований, приведенных в таблице 2.1. Поэтому в съемочное обоснование тахеометрической съемки входит построение сетей триангуляции, трилатерации, полигонометрии, теодолитных ходов, обеспечивающей территорию съемки геодезическими пунктами нужной густоты [23].



Таблица 2.1 - Технические требования при проложении тахеометрических ходов

Параметры	Масштаб съемки
	1 : 5000	1 : 2000
Максимальная длина хода, м	1200	600
Максимальная длина линий, м	300	200
Максимальное число линий в ходе	6	5

Электронную тахеометрическую съемку эффективно применять на открытой равнинной местности, когда с исходной съемочной точки открывается видимость на расстояния 1…2 км. Вследствие значительной дальности действия тахеометра сокращаются затраты труда на развитие съемочного обоснования.

Экономическая эффективность электронных тахеометрических съемок еще и во многом определяется связями технологического процесса. Первый вариант отвечает классической схеме наземных топографических съемок, при которой основные технологические процессы последовательно сменяют друг друга. Численность топографической бригады составляет два человека. Служебную и метрико-семантическую информацию записывают на технический носитель. Обрабатывают результаты измерений и составляют топографические планы электронной тахеометрической съемки в основном в условиях стационарного камерального производства.

Второй вариант электронной тахеометрической съемки отличается от первого тем, что обработку материалов съемки ведут на базе полевой бригады, когда разрыв между полевыми и камеральными работами не превышает нескольких суток.

Третий вариант отвечает принципиально новой схеме организации работ, при которой основные процессы съемки (полевые и камеральные) ведут одновременно. Численность топографической бригады при этом увеличивается на одного человека за счет организации в ближайшем к объекту населенном пункте выездного командно-диспетчерского камерального поста с передачей ему функций регистрации информации на технический носитель, за счет обработки ее по мере поступления и отображения на составляемых тут же топографических планах [11].

Одновременности выполнения полевых и камеральных работ достигают за счет организации радиосвязи между всеми участниками съемки и ее камеральной обработки. Связь осуществляют с помощью мобильных радиостанций. При этом оператор тахеометра управляет перемещением рабочего с отражателем по объекту съемки, принимает семантическую информацию с места установки отражателя и передает ее вместе с метрической информацией на командно-диспетчерский камеральный пост. Оператор командно-диспетчерского камерального поста, находясь в ближайшем от объекта населенном пункте (или кузове специального автомобиля), не только принимает и обрабатывает метрико-семантическую информацию, но и активно управляет плотностью набора пикетов, закрывая «белые пятна» в съемке, а в необходимых случаях требует от оператора тахеометра набора контрольных пикетов и т.п. Одновременность набора и отображения съемочных пикетов на составляемых топографических планах позволяет исключить недостатки, свойственные обычной тахеометрической съемке. При этом за счет большой дальности действия тахеометра значительно увеличивается площадь съемки, выполняемая с одной установки прибора и, как следствие, уменьшается потребность в числе пунктов съемочного обоснования.

Технология электронной тахеометрической съемки дает возможность представить топографические планы как в традиционной графической форме, так и в виде цифровых моделей местности и рельефа, то есть в форме, удобной для исполнения в системах автоматического проектирования [10].

При изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений необходимо еще знать и рельеф местности.

Без знания рельефа местности невозможно проектирование железных и шоссейных дорог, водоотводных (осушительных и оросительных) каналов, гидротехнических сооружений, аэродромов, строительных площадок, населенных пунктов, плотин, полей севооборотов и других объектов.

Знание рельефа выражается прежде всего в знании отметок всех характерных точек местности.

Определение высот точек местности и превышений между ними и есть цель нивелирования.

Нивелирование - вид геодезических работ, в результате которых определяют разности высот (превышения) точек земной поверхности, а также высоты точек над принятой отсчетной поверхностью.

В зависимости от применяемых инструментов и методов различают следующие виды нивелирования: стереофотограмметрическое, барометрическое, гидростатическое, автоматическое, геометрическое и тригонометрическое.

Геометрическое нивелирование основано на применении нивелира, который обеспечивает горизонтальное положение линии визирования. Геометрическое нивелирование может быть выполнено также с помощью тахеометра.

При необходимости передачи высот на большие расстояния прокладываются нивелирные ходы, состоящие из нескольких связанных между собой станций. Путем проложения нивелирных ходов первого - четвертого классов точности создается единая государственная нивелирная сеть, являющаяся высотной основой всех геодезических работ на территории страны. Пункты государственной нивелирной сети закрепляются на местности постоянными знаками - реперами и марками, их отметки публикуются в специальных каталогах.

В развитие государственной нивелирной сети для производства топографо-геодезических работ прокладываются ходы технического нивелирования.

Ходы технического нивелирования прокладывают способом геометрического нивелирования «из середины». Для этого используют технические и точные нивелиры.

Техническое нивелирование выполняют в одном направлении. Максимальная длина хода технического нивелирования зависит от высоты сечения рельефа h и составляет 1 км при h = 0,25 м; 4 км при h = 0,5 м.

При съемке участка под строительство, а также при обмерах объектов архитектуры высотным обоснованием служит, как правило, нивелирный ход, проложенный по точкам теодолитного хода - теодолитно-нивелирный ход.

В рядах случаев техническое нивелирование выполняют при определении высот вершин квадратов, построенных на местности [13].

Рассмотрим состав работ при проложении нивелирного хода.

Общие точки для смежных станций хода называют связующими. В тех случаях, когда перепад высот между точками не позволяет выполнить измерение с одной станции, выбирают дополнительную связующую точку - x точку и соответственно дополнительную станцию. Если в створе между связующими точками имеются характерные точки перегиба рельефа, их нивелируют. Такие точки называют промежуточными или плюсовыми.

Порядок работы на станции при нивелировании следующий:

визирование на заднюю по ходу точку и отсчет по черной стороне рейки;

визирование на переднюю точку и отсчет по черной стороне рейки;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на переднюю точку;

отсчет по красной стороне рейки при визировании на заднюю точку;

визирование на промежуточную точку и отсчет по черной стороне рейки.

Таким образом устанавливается симметрия во времени при наблюдении на заднюю и переднюю точки, что позволяет ослабить влияние атмосферной рефракции на отсчет по рейке.

Значение превышения на станции вычисляют дважды: по черным и красным сторонам рейки. Допустимое расхождение значений превышений - не более 5 мм, в противном случае измерения на станции следует повторить. При работе с электронными тахеометрами и нивелирами с встроенным процессором значения превышений и горизонтальных проложений считывают с экрана дисплея и заносят в электронный журнал.

Тригонометрическое нивелирование производят путем измерения угла наклона визирной линии к горизонту и расстояния между нивелируемыми точками.

Тригонометрическое нивелирование широко распространено при топографической съемке местности, а также при производстве инженерно-геодезических работ. В настоящее время в связи с внедрением тахеометров сфера применения тригонометрического нивелирования значительно увеличилась. Основным преимуществом данного вида нивелирования является возможность определения высот точек без ограничения углов наклона скатов к горизонту, а также дальности расстояний до точек наблюдений [30].

Высоты (отметки) точек и рельеф местности отображаются на картах и планах и служат основой для архитектурно-строительного проектирования, в том числе для составления проектов вертикальной планировки территории, проектов транспортных сетей, инженерных коммуникаций и др. Без нивелирования нельзя осуществить вынос проекта сооружения в натуру, выполнить обмеры архитектурных комплексов.

При наружных обмерах объектов недвижимости, как правило, используют 20…30-метровые стальные рулетки, а также так называемые «лазерные рулетки». Для измерения расстояний в корпус рулетки помещают лазерный электромагнитный дальномер. При измерениях лазерный пучок наводят на отражающую поверхность объекта, до которого измеряют расстояние. Наведение осуществляют визуально, т.е. по «лазерному пятну» или используют для этого закрепленный на корпусе рулетки специальный оптический визир.

При внутренних обмерах эффективнее применять лазерные дальномеры, например, для оценки объекта недвижимости и составления генерального и поэтажного планов, когда внешние условия не влияют на результаты измерений.

Совместив внутреннюю съёмку с внешней и построив по облаку точек нерегулярную сеть, можно получить полноценную трёхмерную модель здания с информацией о толщине стен, отклонениях от плоскости, вертикали и горизонтали. По полученной модели, можно проводить различные измерения, строить сечения, рассчитывать количество строительных материалов для реставрации и реконструкции [32].

Быстро и качественно получить трехмерную модель местности, а также зданий, сооружений и т.п. можно с помощью лазерного сканера.

Лазерное сканирование с успехом применяется в самых различных областях деятельности:

в промышленном, гражданском и транспортном строительстве;

в нефтегазовой отрасли;

в подземном строительстве, прежде всего в тоннелестроении, там, где требуется высокая точность и максимально полная информация об объекте. Затраты на проведение измерений в этом случае сокращаются в десятки раз, а получаемая точность соответствует принятым нормам;

в машиностроении;

в архитектуре, археологии и музейном деле (сканирование необходимых для отрисовки фасадных чертежей тонких архитектурных элементов зданий, размер деталей которых составляет миллиметры или первые сантиметры). При съёмках зданий, представляющих историческую и культурную ценность, такая задача возникает довольно часто.

Лазерное сканирование позволяет быстро получить трехмерную модель местности, а также зданий, строений, сооружений и т.д. Движущийся лазерный луч сканирует объект за несколько секунд. По сравнению с векторной трехмерной моделью растровая модель имеет ряд преимуществ, так как готова сразу после сканирования, занимает большее пространство и стоит дешевле. По сравнению с фотограмметрическими способами съемки лазерное сканирование позволяет получить пространственные координаты с одной точки стояния без последующей камеральной обработки, причем имеется возможность провести контрольные измерения непосредственно в полевых условиях. При этом достигается более высокая точность работ. Лазерное сканирование может выполняться как с воздуха (с борта самолета, вертолета), так и с поверхности Земли.

Рассмотрим воздушное лазерное сканирование [21].

Принцип функционирования воздушных лазерных систем представлен на рисунке 2.1. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В каждом акте сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора. В зависимости от типа сканирующей системы могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном акте сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор линий электропередач, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой твердой поверхности, например, крыше здания. Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS (ГЛОНАСС). В сочетании с замеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования это позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча. С некоторыми упрощениями современный лазерный сканер можно определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лазерный сканер, такие как дальномерный блок, GPS, инерциальная система всесторонне изучены и уже много лет активно эксплуатируются.

Рис. 2.1 - Принцип функционирования воздушных лазерных систем

Целесообразность использования новой технологии в различных приложениях основывается на ее уникальных возможностях. Среди отличительных особенностей воздушного лазерного сканирования можно выделить три основных.

Во-первых, производительность воздушного лазерного сканирования чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки линейных объектов в 500-600 км за один аэросъемочный день. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку.

Во-вторых, воздушное сканирование не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.

В-третьих, непосредственное получение трехмерных моделей рельефа и всех наземных объектов, а также возможность выполнения по ним геометрических измерений.

Использование воздушных лазерных систем для решения данных задач городского кадастра предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков и собственно результатов лазерно-локационной съемки. Цифровые аэрофотоснимки по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов.

Получение данных для аналоговых и цифровых аэрофотоснимков заключается в определении их элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков и измерение наклонной дальности съемки на борту летательного аппарата.

Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU (аббревиатура IMU есть InertialMeasurementUnit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов. Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, т. е. обеспечивают возможность полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных.

Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых летательных аппаратов предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми аэросъемочными средствами - аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, воздушными лазерными сканерами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично выполняется синхронизация с авиационным импульсным лазерным дальномером.