Комплексное использование аэрокосмических снимков и спутниковых технологий для целей городского кадастра

- по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник),

- по Р - коду (двухчастотный кодовый приемник),

- по C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник),

- по Р - коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).

Обработку сигналов выполняют с целью выработки необходимой потребителям информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т.д.). Упрощенная структурная схема приемной аппаратуры (приемника спутниковых сигналов) показана на рисунке 17.

Приемное устройство выполняет функции супергетеродинного приемника, а также первичную обработку сигналов. Соответствующие сигналы поступают в блок поиска и измерения. После завершения поиска происходит захват сигнала, который поступает в вычислительный блок. По указаниям оператора (наблюдателя) результаты соответствующей обработки, как правило, могут быть отражены на дисплее.

Рисунок 17 - Упрощенная структурная схема приемной аппаратуры

Обычно выделяют три модификации приемников. Приемники первого класса предназначены для быстрых навигационных определений координат. Такие приемники удобно использовать при рекогносцировке, выносе в натуру и съемке объектов с небольшой точностью. Приемники второго класса предназначены для определения положения движущихся объектов. Наконец, приемники третьего класса, как правило, относятся к приемникам геодезического назначения. В них имеется многоканальный блок, осуществляющий слежение одновременно за сигналами нескольких ИСЗ (до 12 и более). Внутренняя память приемника до 100 Мб и более. Приемники оснащены портами для интеграции с другой аппаратурой, в том числе ПЭВМ. Значительный практический интерес представляют собой совмещенные GPS/ГЛОНАСС приёмники. [14] В общем случае приемники геодезического назначения выполняют следующие функции:

- генерация местной шкалы времени (местных эталонных колебаний);

- поиск, усиление и разделение сигналов, принадлежащих различным ИСЗ;

- фильтрация сигналов;

- выделение из сигналов меток времени и псевдослучайных последовательностей;

- слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерение псевдодальностей до каждого НИСЗ;

- прием установочных параметров и маркеров, фиксирующих внешние события;

- выполнение различных оперативных расчетов; выдача в форме индикации на дисплее контроллера соответствующей информации об установочных указаниях и параметрах, результаты измерений, например в форме геодезических координат, о наличии и состоянии участвующих в радиосеансе НИСЗ и др.;

- прием поправок (при помощи специального радиоканала) в псевдодальности от внешнего передающего устройства;

- передачу результатов спутниковых наблюдений на другие радиоприемные устройства, в том числе - телефоны сотовой связи; хранение принятой информации.

Конструктивно приемники, как правило, выполнены в виде отдельных или совмещенных блоков, которые содержат антенное устройство, контроллер (мини-ЭВМ с клавиатурой) и аккумуляторы. С помощью контроллера (встроенного или присоединяемого к приемнику), пользователь может управлять и контролировать процесс спутниковых наблюдений. Часто приемники имеют встроенный радиомодем, с помощью которого в реальном масштабе времени можно передать или принять по каналам связи необходимую информацию. К ней относятся, например результаты измерений, выполненные на определяемой точке, а также результаты соответствующих расчетов по этим измерениям, выполненным в специальном удаленном от места проведения измерений вычислительном центре. [15]

Общий вид приемника спутниковых сигналов, включающего антенное устройство, собственно приемник и контроллер показан на рисунке 18. [16]

Рисунок 18 - Приёмник спутниковых сигналов:

1 - антенна; 2 - контроллер; 3 - электронный блок

Помимо приёмника в комплект входят и другие вспомогательные устройства, без которых работа будет довольно затруднена:

- штативы, трегеры, стойки быстрого развёртывания;

- сменные аккумуляторные батареи;

- осветительные приборы (для работы в тёмное время суток);

- рулетка;

- сторожки, колья, гвозди, топор и др. [9]

По условиям организации работ могут быть необходимы также устройства хранения, передачи и обработки информации - PC-карты, дискеты, полевой компьютер (ноутбук), кроме того, - зарядное устройство и приспособление для зарядки аккумуляторов.

Выбор конкретного типа приемника спутниковых сигналов для проведения земельно-кадастровых геодезических работ прежде всего зависит от необходимой точности определения положения объектов. Например, при создании и развитии опорной межевой сети первого класса (ОМС1) спутниковые приемники, помимо кодовых сигналов, должны принимать сигналы навигационных искусственных спутников земли на частотах L1 и L2. При развитии сети второго класса (ОМС2), а также при межевании земельных участков разрешается использование одночастотных приемников, работающих, помимо кодовых сигналов, только на частое L1.

Рассмотрев вышесказанное, можно сказать, что глобальная навигационная спутниковая система представляет собой совокупность трёх сегментов: сегмента контроля и управления, космического и потребительского сегментов. Эффективность выполнения работ с применением ГНСС достигается за счёт анализа каждого из сегментов с учётом современных тенденций и технологий.

2.3 Методы определения местоположения объектов

Дифференциальный метод GPS. Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой - в точке с известными координатами - базовой (контрольной) станции. [17]

Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. А, следовательно, величины ошибок также будут близки. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически полностью исключить влияние режима SA и довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых - до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений. Однако современные технологические достижения позволяют одночастотным фазовым приемникам по характеристикам приблизиться к двухчастотным.

В основе дифференциального метода лежит относительное постоянство во времени и пространстве некоторых элементарных погрешностей, участвующих в формировании общей погрешности измерений абсолютного положения определяемых точек. Основные слабо меняющиеся погрешности следующие: синхронизация шкал времени НИСЗ и приемника спутниковых сигналов; эфемерид НИСЗ, а также погрешности, обусловленные влиянием непостоянства характеристик ионосферы и тропосферы по трассе распространения сигнала от НИСЗ.

Структурная схема дифференциальной подсистемы, включающая базовую станцию (БС) и устанавливаемый в определяемой точке и дополненный специальными устройствами приемник спутниковых сигналов, показана на рисунке 19. В качестве базовой станции используют геодезический пункт с известными с заданной точностью координатами (система координат ГНСС). Центром такого пункта часто является закрепленная на крыше здания антенна приемника спутниковых сигналов. При этом координаты Xст., Y_ст., Z_ст. центра пункта соотносят к положению фазового центра антенны.



Рисунок 19- Структурная схема дифференциальной подсистемы

Сигналы навигационных искусственных спутников земли, одновременно «видимых» на БС и определяемой точке, воспринимаются соответствующими приемниками. В дальнейшем на базовой геодезической станции соответствующие сигналы поступают в блок формирования корректирующей информации. Основное назначение данного блока - вычисление корректирующих поправок и формирование кадра корректирующей информации, который по каналу связи с базовой станции передается в приемник спутниковых сигналов, установленный на определяемом пункте. Переданными таким образом поправками корректируют результаты спутниковых наблюдений, выполненных на определяемой точке, и по этим данным вычисляются ее координаты (для этого используют соответствующий вычислительный блок).

При вычислении окончательных координат определяемой точки используют, как правило, метод коррекции координат и метод корректировки навигационных параметров.

Метод коррекции координат предполагает, что корректируют вычисленные координаты определяемой точки по спутниковым наблюдениям одного и того же созвездия НИСЗ. При этом, корректирующую информацию получают, сопоставляя действительные координаты базовой станции Xст., Y_ст., Z_ст. с координатами этой станции, вычисленными по результатам спутниковых наблюдений, проводимых одновременно на БС и определяемой точке.

Данный метод сравнительно прост, так как не меняет основной алгоритм спутниковых определений, но ему свойственен существенный недостаток - ограничение дальности действия.

Идея дифференциального метода, основанного на коррекции навигационных параметров, заключается в том, чтобы передать на определяемую точку набор поправок к измерениям по всем НИСЗ, которые потенциально могут быть использованы при спутниковых наблюдениях на определяемой точке. На базовой станции измеряют псевдодальности до всех «видимых» НИСЗ и вычисляют ее измеренные координаты, а затем и измеренные дальности (по измеренным координатам базовой станции и координатам НИСЗ). В дальнейшем, разности между измеренными псевдодальностями и соответствующими вычисленными значениями дальностей (корректирующая информация) передают по каналу связи на определяемую точку, на которой при обработке корректирующей информации выбирается оптимальное созвездие НИСЗ. Измеренные в определяемой точке псевдодальности корректируют с помощью поправок, относящихся к используемым НИСЗ, по формуле

D(t) = р(t) + Дро + (d(Дp_o)/dt)(t- t₀), (2.2)

где D(t) - скорректированное в момент времени t значение дальности от определяемой точки до соответствующего НИСЗ; р(t) - псевдодальность, измеренная в момент времени t, Др₀ - поправка к псевдодальности, вычисленная на базовой станции в момент времени t; d(Дp_o)/dt- поправка, характеризующая скорость изменения поправки Др₀; t - шкала времени приемника; t₀ - время по шкале времени НИСЗ.

В мире действуют различные дифференциальные подсистемы (ДПС), которые условно разделяют на локальные, региональные и глобальные. Локальные ДПС имеют зону действия 5...200 км от контрольной станции. Некоторые из них имеют геодезическое назначение и при дальности действия до 50 км обеспечивают точность определения абсолютного положения от 2 до 4,5 м. Зона действия региональных ДРС простирается до 2000 км. Данные дифференциальные подсистемы обычно имеют в своем составе несколько контрольных станций и для передачи корректирующей информации используют, как правило, геостационарные спутники.

Примером глобальной дифференциальной подсистемы служит система Omni STAR, которая использует распределенную по всему миру сеть контрольных станций для сбора информации со НИСЗ GPS. Собранные данные передаются в три центра управления, откуда транслируются на борт одного из семи геостационарных спутников. Каждый спутник в пределах своей рабочей зоны передает дифференциальные поправки. При этом пользователи данной системы получают эти поправки по специальной платной подписке.

Приемники спутниковых сигналов, предназначенные для определения месторасположения в дифференциальном режиме, принимают сигналы не менее чем четырех НИСЗ. Сеанс работы с каждым НИСЗ продолжается примерно 1 секунду. Для приема дифференциальных поправок спутниковые приемники имеют специальную антенну, приемное и вычислительные устройства, одно из которых вычисляет текущие значения скорректированных псевдодальностей, другое - решает по ним пространственную линейную засечку. Результаты решения в виде геодезических координат определяемой точки индицируются на табло и записываются в «память» приемника.

Статический метод (Static Positioning). Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1) Для двухчастотных приемников:

a) в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;

б) по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;

2) Для одночастотных приемников:

a) в плане: 5 мм + 1 мм/км * D - (при D < 10 км);

б) 5 мм + 2 мм/км * D - (при D > 10 км);

в) по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

где D - измеряемое расстояние.

Данный метод используют для решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей, мониторинга тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и др. сооружений. [9]

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning). Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 - 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстрый статический метод (Rapid Static Positioning). Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут - в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р-кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстром статическом режиме. [17]

Кинематический метод «стой-иди» (Stop-and-Go Kinematic Positioning). Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными являются следующие процедуры инициализации:

- обмен антеннами, когда второй приемник находится на “пункте обмена” (знание его координат не обязательно), выбранном на расстоянии не более 10 м от опорного, выполняется наблюдение 4-8 эпох, затем приемники переставляются (без выключения), меняясь антеннами и наблюдают 4-8 эпох (до нескольких минут), а после происходит обратная процедура обмена антеннами и выполнение наблюдений для 4-8 эпох;

- стояние второго приемника в течение 1 минуты на втором пункте с известными координатами, причем этот второй пункт может быть на расстоянии не более 10 км от опорного пункта;

- статический метод, когда определяемый пункт выбирается на расстоянии не более 10 км от опорного пункта, а сеанс наблюдений имеет продолжительность не менее 30 минут.

Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно посещенный определяемый пункт или вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников. [18]

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1) Для двухчастотных приемников (5 спутников и две эпохи (2 сек.) наблюдений):

a) в плане: 20 мм + 1 мм/км D;

b) по высоте: 20 мм + 2 мм/км D;

2) Для одночастотных приемников:

a) в плане: 20 мм + 2 мм/км D;

b) по высоте: 20 мм + 2 мм/км D.

Метод эффективен при выполнении топографической съемки, когда за короткое время необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization). Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS - измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у «Stop-and-Go». Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д. [9]

Кинематический метод с инициализацией «на ходу» (Kinematic with On - the Fly Initialization). Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции - эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов. [20]

Реоккупация - метод, при котором наблюдение подвижной станцией на точке выполняют двумя приёмами продолжительностью не менее 10 минут каждый с интервалом между выполнением приёмов от 1 до 4 часов. Приёмы должны быть выполнены одним и тем же приёмом.

Таким образом, существующие ГНСС в составе GPS и ГЛОНАСС позволяют реализовать вышеперечисленные методы на практике. Однако сложно выделить среди всех методов тот, который является наиболее эффективным. Каждый метод эффективен в зависимости от того, для решения какой задачи он используется. Универсальным можно назвать дифференциальный метод, так как при его использовании исключаются большинство погрешностей, и обеспечивается наилучшая точность.

3. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОФОТОСНИМКОВ И GPS - ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

3.1 Создание с помощью глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования координатной основы

Несмотря на развитие методов лазерной локации, одним из наиболее эффективных методов топографической съемки остается аэрофототопографический метод [1]. Это в полной мере относится к крупномасштабной топографической съемке, выполняемой в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, которые являются приоритетными для решения задач городского кадастра. Одним из главных условий осуществления топографической съемки, как и любой другой, является обеспечение ее координатной основой. В общем виде координатная основа представляет собой электронно-цифровой каталог координат пунктов опорной геодезической сети, центров проектирования аэрофотоснимков, полевых и камеральных планово-высотных опознаков. Каталог координат входит в базу данных соответствующей информационной системы, где он хранится, корректируется и дополняется.

Координатная основа создается в настоящее время как традиционными геодезическими, так и спутниковыми средствами и методами, а также путем их сочетания. При выполнении крупномасштабной аэрофототопографической съемки спутниковый метод создания координатной основы используется при:

- создании опорных и съемочных геодезических сетей;

- прокладке аэрофотосъемочных маршрутов;

- определении координат центров проектирования (КЦП) аэрофотоснимков;

- планово-высотной подготовке аэрофотоснимков.

Обобщенная схема создания и использования координатной основы крупномасштабной аэрофототопографической съемки приведена в приложении

Координатная основа создается применительно к используемому эллипсоиду: Красовского, ПЗ-90 (Параметры Земли - 1990 г.), WGS-84 (World Geodetic System-1984) и др. При создании координатной основы выбирается соответствующая система координат: геодезическая G(BLH) с координатами B, L, H; плоская прямоугольная P(xyz) с плановыми координатами x, y и высотами z (обычно z определяются независимо от плановых координат); пространственная прямоугольная S (XYZ) с координатами X, Y, Z и др.

Определение координат пунктов и точек, используемых для составления крупномасштабных топографических карт и планов возможно путем полевых измерений и камеральным методом. При полевых измерениях и последующей математической обработке определяются координаты:

- пунктов государственной геодезической сети на объекте;

- центров проектирования аэрофотоснимков;

- точек съемочных сетей;

- планово-высотных опознаков на аэрофотоснимках;

- некоторых объектов местности (углов зданий и сооружений, колодцев и других контурных точек).

Получение координатной основы путем полевых измерений возможно с использованием традиционных геодезических средств, спутниковых приемников (GPS, ГЛОНАСС, GPS/ГЛОНАСС) или путем их сочетания. При камеральном методе координаты планово-высотного сгущения определяются с помощью:

- аналитических фотограмметрических приборов (стереоанограф, SD-20, SD-2000 и др.);

- цифровых фотограмметрических станций (PHOTOMOD, ЦФС, SUN и др.);

- аналитического фототриангулирования (программы ФОТОБЛОК, ФОТОКОМ, TRAP и др.);

- программных комплексов (Талка, Нева, Панорама и др.).

Основной принцип создания координатной основы заключается в том, что координатная основа создается применительно к аэрофототопографической съемке с помощью спутниковых приемников, а также путем совместного использования спутниковых приемников и традиционных геодезических средств.

При создании координатной основы аэрофотопографической съемки спутниковым методом в дифференциальном режиме необходимо уравнивать измеренные приращения координат Д X, Д Y, Д Z в системе S(XYZ), а затем полученные уравненные значения координат X, Y, Z определяемых пунктов перевычислять в систему P(xyz). Если корреляция измерений отсутствует, то уравнивание возможно осуществлять раздельно по осям координат X, Y, Z. В настоящее время разработаны алгоритмы преобразования координатной основы непосредственно из системы пространственных прямоугольных координат в систему плоских прямоугольных координат и высот и обратно двумя способами: c использованием значений координат и их приращений. Они обеспечивают:

- непосредственное преобразование координатной основы из системы S(XYZ) в систему P(xyz) и обратно в трехмерном (пространственном) формате с ошибками не более 1 мм в при любых значениях геодезических широт В в интервале разностей геодезических долгот от -30⁰ до +30⁰;

- преобразование координатной основы для тех же условий при значениях высот ? 20 км (потолок аэрофотосъемочного самолета) над поверхностью Земли;

- возможность обеспечения перевычисления координатной основы с ошибкой не более 1-2 мм в полосе шириной от - 60⁰ до + 60⁰ и для высот ? 20000 км (высота орбит ИСЗ GPS и ГЛОНАСС) путем введения добавочных членов разложения функций в соответствующие тригонометрические ряды.

Данные алгоритмы описываются с помощью следующих аналитических выражений:

.

,

;

;

;

где a, b, e, e^' - параметры земного эллипсоида;

L₀ - долгота осевого меридиана;

E - основание натуральных логарифмов;

R_Э - эквивалентный радиус;

С₂ , С₄ , С₆ - постоянные коэффициенты.

;

,

; ; ;

;

;

где С₂^' , С₄^' , С₆^', k₂^', k₄^', k₆^' - постоянные коэффициенты;

;

В практике топографо-геодезических работ часто возникает необходимость определения геодезической высоты H по измеренным с помощью спутниковых приемников пространственным прямоугольным координатам X, Y, Z. Все существующие алгоритмы вычисления геодезической высоты H основаны на том, что предварительно должна быть известна геодезическая широта B, нахождение которой связано с достаточно большим объемом вычислений.

Ниже представлен алгоритм вычисления H непосредственно по измеренным координатам X, Y, Z [2] :

,

; .

Исследования показывают, что погрешность вычисления H не превышает 1 мм при высотах до 50 км в любой точке земного пространства.

При выполнении топографо-геодезических работ координатная основа, полученная в системе P(xyz), как правило, перевычисляется в местную систему координат М(x^'y^'z) и обратно. При этом перевычисляются только плановые координаты x, y, а высоты остаются неизменными или изменяются на заданную постоянную величину. Ниже представлены усовершенствованные и откорректированные формулы преобразования плановых координат x, y из системы P(x y) в систему М(x^' y^') и обратно.

:

;

.

:

;

;

где x, y - координаты пункта в государственной системе P(x y) проекции Гаусса-Крюгера в 6⁰ зоне; x₀, y₀ - координаты начального пункта в государственной системе P(x y); x^', y^' - координаты пункта в местной системе М(x^' y^'); x₀^', y₀^' - координаты начального пункта в местной системе (обычно x₀^'=0, y₀^'=0);

, ,

Н₀ - высота поверхности относимости объекта работ, когда она не совпадает с государственной системой высот 1977 г.;



, ,

г - заданный угол поворота местного осевого меридиана;

a, b, R_э - параметры эллипсоида.

Таким образом, применение спутниковых средств и методов для создания координатной основы, а также алгоритмов преобразования ее из системы пространственных прямоугольных координат в плоские прямоугольные и обратно, позволяет выполнять преобразование координатной основы с ошибками не более 1мм при любых значениях геодезических широт.

3.2 Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков 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 Inertial Measurement Unit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов.

Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, во многом благодаря тому, что являются самодостаточными в смысле возможности полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных. Наличие этого свойства отличает системы прямого геопозиционирования от традиционных систем и методов геопозиционирования данных, используемых в классической аэрофототопографии.

Данный метод геопозиционирования является прямым, прежде всего, в сравнении со стандартной фотограмметрической процедурой геопозиционирования аэрофотоснимков, которая, как известно, включает следующий набор операций: выделение наземных опознаков и определение их геодезических координат, определение связующих точек на стереопарах, развитие и уравнивание фототриангуляционной сети, создание свободной модели и ее масштабирование. Т.е. при традиционном подходе общая задача геопозиционирования решается за счет последовательной реализации нескольких технологических процедур, каждая из которых достаточно трудоемка. Важно также заметить, что хотя и современные фотограмметрические компьютерные технологии обеспечивают значительную степень автоматизации, тем не менее, участие оператора практически на всех стадиях описанного цикла существенно, что может явиться дополнительным источником ошибок при недостаточной квалификации персонала.

В процессе геопозиционирования GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников. Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. Требуется только обеспечить взаимную неподвижность в процессе съемки сканерного блока и фотоаппарата, а также точно определить их взаимное пространственное положение (выставку). И того и другого можно добиться расположив оба прибора как можно ближе друг к другу на единой жесткой раме. Чем больше удаление аэросъемочного прибора от сенсора инерциальной системы, тем в общем случае для этого прибора менее пригодны GPS/IMU данные, из-за неизбежных деформаций корпуса летательного аппарата. Поэтому для крупных аэросъемочных летающих лабораторий, таких, например, как АН-30, приходится использовать по одной GPS/IMU системе для каждого отдельного аэросъемочного прибора, что, конечно, значительно дороже.

Применение таких комплексов характеризуется следующим:

1. Создание первых GPS/IMU систем в начале 90-х годов прошлого века явилось важнейшей технологической предпосылкой появления воздушных аэросъемочных лидаров в их нынешнем виде. Именно использование GPS/IMU данных позволило корректно представлять данные лидарной съемки в геодезических координатах с вполне определенными количественными гарантиями точности, т.е. способствовало превращению авиационных лидаров из средств дистанционного зондирования (в основном, военного назначения) в средства топографического картирования. Современный аэросъемочный лидар в столь значительной степени не мыслим без GPS/IMU комплекса, что даже конструктивно эти два прибора неотделимы друг от друга (точнее один включает в себя другой).

2. Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых движущихся платформ (летательных аппаратов, морских и речных судов, поездов, вообще любых движущихся платформ) предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми источниками геопространственных данных, в частности с любыми аэросъемочными средствами - аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. Так, нет никакой необходимости аппаратно «сопрягать» классический пленочный аэрофотоаппарат с GPS/IMU системой POS/AV 510. 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 может быть выполнена синхронизация с практически любым аэросъемочным средством в том числе а авиационным лидаром.

3. Использование GPS/IMU данных в аэрофототопографии представляется наиболее интересным как с теоретической, так и с практической точек зрения. Здесь возможны два подхода. В первом случае данные, поставляемые GPS/ IMU комплексом используются непосредственно в качестве элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков для выполнения стереофотограмметрического восстановления рельефа, ортотрансформирования и окончательного геопозиционирования снимков. Во втором случае, GPS/IMU используются только в качестве начального приближения, по которому осуществляется поиск еще более точных значений элементов внешнего ориентирования. В любом случае, наличие GPS/IMU данных оказывается очень полезным - в первом случае вообще удается избежать процедуры построения фототриангуляционной сети и ее уравнивание, а во втором случае, благодаря наличию достаточно точной априорной информации по элементам внешнего ориентирования в блоке или маршруте, алгоритм уравнивания становится более устойчивым, а выходные данные более достоверными и точными.

4. Большое практическое значение имеет также то очевидное обстоятельство, что одна GPS/IMU система может обслуживать одновременно несколько аэросъемочных средств.

Метод геопозиционирования данных съемки, предлагаемый интегральными GPS/IMU комплексами, практически полностью свободен от всех недостатков, связанных со сложностью традиционного подхода. С некоторой долей условности, можно даже говорить, что все численные параметры, необходимые для окончательного геопозиционирования данных съемки, возникают одновременно с самими этими данными непосредственно в ходе съемке. Последнее обстоятельство позволяет говорить, что применение GPS/ IMU систем обеспечивает аппаратный метод определения элементов внешнего ориентирования, противопоставляя его традиционному фотограмметрическому методу.

Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10...20 см, а угловые элементы с точностью 3...4'.

В определенных случаях, значения угловых параметров с таким уровнем точности можно использовать в качестве окончательных, т.е. не требующих никакой коррекции, при выполнении процедур геопозицирования различных видов аэросъемочных данных. Данные современных интегральных навигационных систем достигли фотограмметрического уровня точности. Последнее утверждение выражает то обстоятельство, что хотя и средства определения всех параметров положения и угловой ориентации в пространстве движущихся платформ активно применяются на практике уже давно (например, в курсовой системе любого летательного аппарата), только сейчас появились системы, уровень точности выходных данных которых, позволяет решать геоинформационные, а не только пилотажно-навигационные задачи.

Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела. Причем это верно для цифровых камер самого высокого разрешения, к которым относятся UltraCAM-D, DMC компании Z/I Imaging и ADC-40 компании Leica Geosystems (последняя, строго говоря, является сканером). Что касается среднеформатных метрических камер (в настоящее время к таковым в основном относят приборы с приемником емкостью 16-22 мегапиксела) то для них предлагаемая точность попадает уже на субпиксельный уровень.

Таким образом, метод геопозиционирования данных съемки, предлагаемый интегральными GPS/IMU комплексами, практически полностью свободен от всех недостатков, связанных со сложностью традиционного подхода. Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10...20 см, а угловые элементы с точностью 3...4'. Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела.

3.3. Планово - высотная привязка аэрофотоснимков

Фотограмметрическая обработка как одиночного снимка, так и пары снимков предполагает наличие опорных точек. Опорные точки позволяют проводить трансформирование одиночных снимков и геодезическое ориентирование пространственных моделей местности. Геодезические координаты опорных точек можно получить с помощью геодезических измерений в поле или камерально- фотограмметрическим методом.

Процесс опознавания на снимках точек местности и определение координат этих точек геодезическими методами называют привязкой аэрофотоснимков. В качестве опорных точек выбирают надежно идентифицируемые на снимках точки местности. Привязка, обеспечивающая каждый снимок или каждую стереопару опорными точками в количестве, необходимом для фотограмметрической обработки, называют сплошной, в противном случае -- разреженной.

Если в результате привязки у каждой опорной точки определены все три геодезические координаты, то привязку называют планово-высотной, если только плановые координаты -- плановой, если только высотная координата -- высотной.

Привязка аэрофотоснимков состоит из нескольких этапов: подготовки материалов; составления проекта привязки; рекогносцировки и закрепления на местности опорных точек; полевых измерений; вычислительных работ; оформления материалов и сдачи работ.

Подготовка материалов включает подбор комплектов контактных или увеличенных снимков и репродукций накидного монтажа на объект работ. На репродукцию накидного монтажа переносят пункты геодезической сети с имеющихся топографических карт.

Составление проекта привязки аэрофотоснимков проводят на репродукции накидного монтажа. Как правило, при разреженной привязке опорные точки располагают рядами поперек аэрофотосъемочных маршрутов.

Расстояние между опорными точками зависит от масштаба создаваемого плана, высоты сечения рельефа, параметров аэрофотосъемки и выражается числом базисов фотографирования n, которое подбирают по формулам

где _Z, у_l -- средние квадратические погрешности наиболее слабо определяемых точек соответственно по высоте и в плане относительно опорных точек; Н -- высота фотографирования; у_q -- средняя квадратическая погрешность определения поперечного параллакса (для аналитических методов 0,010...0,015 мм); р - среднее значение продольных параллаксов (мм), приближенно равное базису фотографирования на снимках (мм); у-- максимально возможная ордината точек внутри рабочей площадки снимков, мм.

Значения у_z и у_l выбирают из таблицы 1.

Таблица 1 Значения бz и бi в зависимости от масштаба плана и высоты сечения

Масштаб плана	Высота сечения рельефа, м	бz, М	Бi ММ на плане
1:5000….1:10000	1,0	0,2	0,20
1:10000…1:25000	2,0	0,4	0,20…0,25
1:10000…1:25000	2,5	0,5	0,20…0,25
1:10000…1:25000	5,0	1,2	0,20…0,25

Места расположения проектируемых опорных точек показывают на репродукции накидного монтажа кружками диаметром 5 мм красной тушью и на одном из перекрывающихся снимков красным карандашом. Опорные точки стараются располагать на середине продольных и поперечных перекрытий, чтобы они изобразились на максимальном числе снимков. Опорные точки нельзя размещать ближе 1 см от края снимка.

Кроме проектирования зон расположения опорных точек на репродукции накидного монтажа намечают схемы теодолитных ходов и полигонов в закрытой местности и возможные прямые, обратные или комбинированные засечки в открытой местности. Если привязку снимков выполняют теодолитными ходами, то максимальную длину каждого из них рассчитывают по формуле

L = 2МТД,

где М--знаменатель масштаба создаваемого плана; Т--знаменатель допустимой относительной погрешности в теодолитном ходе; Д-- погрешность в плановом положении опорных точек относительно пунктов опорной геодезической сети, м, которая составляет 0,2 мм в масштабе создаваемого плана.

Если привязку снимков выполняют с помощью GPS-аппаратуры, то зоны расположения опорных точек намечают на открытых пространствах, чтобы обеспечить радиовидимость необходимого числа спутников.

В процессе рекогносцировки и закрепления на местности опорных точек опознают и накалывают на снимки существующие пункты триангуляции государственной сети, выбирают окончательное положение каждой опорной точки и уточняют метод ее геодезического определения. В качестве опорной точки выбирают такую точку местности, которая надежно идентифицируется на всех перекрывающихся снимках. Погрешность опознавания опорной точки на местности не должна превышать 0,1 мм в масштабе создаваемого плана.

Опознанные опорные точки закрепляют на местности кольями длиной 0,3...0,5 м и окапывают треугольником со сторонами 1,2...1,5 м. На снимках эти точки накалывают с погрешностью не более 0,1 мм и обводят двумя красными концентрическими окружностями диаметром 8 и 10 мм. Каждой опорной точке присваивают номер.

Далее проводят геодезические измерения и для каждой опорной точки составляют схему геодезического определения, на которой подписывают значения всех измеренных линий и углов.

В результате вычислительных работ, проводимых, как правило, по специальным программам, получают каталог геодезических координат опорных точек.

Для каждой трапеции государственной разграфки, землепользования или населенного пункта формируют техническое дело, в которое входят все материалы полевых и камеральных работ: репродукции накидного монтажа, снимки с оформленными опорными точками, схемы кодов и засечек, полевые журналы, ведомости координат и т. п.

3.4 Совместное применение ГНСС и аэрофотосъемки на современном этапе.

Глобальная навигационная спутниковая система с применением специальных навигационных или геодезических приемников нашла широкое применение в геодезии, городском и земельном кадастре, при инвентаризации земель, строительстве инженерных сооружений и т.д.

Основные достоинства и преимущества:

Не требуется прямой видимости между пунктами.

Благодаря автоматизации измерений сведены к минимуму ошибки наблюдателей.

Позволяет круглосуточно при любых погодных условиях определять координаты объектов в любой точке Земного шара.

Точность GNSS-определений мало зависит от погодных условий (дождя, снега, высокой или низкой температуры, а также влажности).

GNSS позволяет значительно сократить сроки проведения работ по сравнению с традиционными методами.

GNSS-результаты представляются в цифровом виде и могут быть легко экспортированы в картографические или географические информационные системы (ГИС).

Рисунок 20- Глобальная навигационная спутниковая система.

Вышеописанная концепция совместного использования ГНСС и фотосъемки местности на данном этапе реализована при аэрофотосъемке беспилотными летательными аппаратами.

Рисунок 21- Концепция беспилотной аэрофотосъёмки с ГНСС привязкой.

Аэрофотосъемка с БПЛА теперь доступна любой геодезической компании. Отпала необходимость в заказе "большой" и дорогой авиации. За считанные часы с помощью БПЛА теперь можно провести аэрофотосъемку большого участка с составлением ортофотоплана и топоплана. Абсолютная точность ортофотоплана, цифровой модели местности до 3 см без необходимости установки опорных точек - для меньших затрат времени в поле и обеспечения высокой точности даже в труднодоступных районах.

За один полет БПЛА проводит аэрофотосъемку участка площадью от 1 до 10 кв.км. Если на борту БПЛА установлен GNSS приемник геодезического класса, то привязка опознаков на земле вообще не потребуется. Если такого приемника на борту БПЛА нет, то потребуется привязать несколько опознаков.

Сферы применения БПЛА для аэрофотосъемки:

Кадастровые работы

Маркшейдерские работы

Мониторинг лесного фонда и земель сельхозназначений

Экология и экологический мониторинг

Съемка линейных объектов (ЛЭП, трубопроводы, реки, каналы)

Археология,

Геологоразведочные работы.

БПЛА геодезического класса является полностью автономным. Встроенный ГНСС приемник способен принимать поправки от большинства базовых станций с помощью прилагаемого программного обеспечения. Это обеспечивает высокую точность позиционирования изображений, полученных БПЛА без необходимости установки опорных точек.

Рисунок 22 - Беспилотный летательный аппарат «eBee»

Беспилотный комплекс - предназначен для решения широкого спектра задач, требующих оперативного получения аэрофотоснимков местности или непосредственного визуального наблюдения. Отличительная особенность комплексов -- высокая степень автоматизации всех этапов работы от подготовки полетного задания до автоматической посадки в заданной точке.

В составе комплекса входит фотограмметрическое программное обеспечение PhotoScan Pro, позволяющее в краткие сроки выполнить обработку полученных аэрофотоматериалов.



Рисунок 23- Беспилотный аэрофотосъемочный комплекс Геоскан.

Аэрофотосъемочный комплекс (АФК) за счет увеличенной продолжительности полета особенно эффективен при аэрофотосъемке объектов значительной площади или мониторинге протяженных линейных объектов. За один полет аппарат может отснять 15 кв. км местности с разрешением, достаточным для получения карты масштаба не менее 1:2000.

Использование бортового GNSS-приемника геодезического класса позволяет получать координаты центров фотографирования с высокой точностью, что в ряде случаев способно значительно уменьшить затраты на выполнение планово-высотной подготовки.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спутниковая геодезия - это самый радикальный способ качественно, дешево и быстро удовлетворить нарастающий спрос на определение координат объектов. Основные преимущества перед классическими геодезическими способами определения координат - простота обслуживания, доступность, высокая точность, независимость от погоды, высокая производительность, практически исключаются ошибки, так называемый «человеческий фактор».

Комплексное использование аэрофотоснимков и GPS - технологий для целей городского кадастра в настоящее время развивается по трем направлениям: создание с помощью глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования координатной основы, определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата и планово - высотная привязка аэрофотоснимков.

Координатная основа создается в настоящее время как традиционными геодезическими, так и спутниковыми средствами и методами, а также путем их сочетания.

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 комплексов. В процессе геопозиционирования GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников.

Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10...20 см, а угловые элементы с точностью 3...4'.

Глобальная навигационная спутниковая система представляет собой совокупность трёх сегментов: сегмента контроля и управления, космического и потребительского сегментов. Эффективность выполнения работ с применением ГНСС достигается за счёт анализа каждого из сегментов с учётом современных тенденций и технологий.

В спутниковой навигации до сих пор отсутствует утвержденная методика оценки эффективности ГНСС. При оценке эффективности ГНСС используются две осредненные по всей пространственно-временной области величины - точность и доступность. Эти осредненные характеристики не позволяют оценить все особенности поведения различных характеристик ГНСС, в частности, локальные ухудшения точности решения навигационной задачи из-за резкого ухудшения геометрического фактора для систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo.

Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям:

первое направление - это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования.

второе направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

третье направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции.

Создаваемая методика оценки эффективности ГНСС использует систему описания характеристик радионавигационных полей и полей потребительских характеристик ГНСС. Данная система описания базируется на трехуровневом описании характеристик радионавигационного поля и поля потребительских характеристик. На третьем- уровне радионавигационное поле и поле потребительских характеристик ГНСС представляется в виде функций, определенных на четырехмерной пространственно-временной области, а на втором и первом - в виде различных сверток и осреднений этих функций. Использование данной системы описания позволяет проводить оценку эффективности ГНСС с учетом всех особенностей, радионавигационного поля и поля потребительских характеристик ГНСС.