2. Топографические съемки
2.1. Общие сведения о топографических съемках
Топографической съемкой называется комплекс геодезических работ, выполняемых на местности для составления топографических карт и планов. В инженерной геодезии выполняют в основном съемки крупных масштабов: 1 : 500, 1 : 1000, 1 : 2000 и 1 : 5000.
Съемке и отображению на топографических планах подлежат все объекты, имеющиеся на рассматриваемом участке, а также рельеф местности.
Точки, определяющие на плане контуры объектов, условно подразделяются на твердые и нетвердые. К твердым относятся четко выраженные контуры сооружений, построенных из прочных материалов (камень, кирпич, бетон), например фундаменты капитальных зданий. Контуры, не имеющие четких границ, например, грунтовые дороги, луга, пашни, относятся к нетвердым.
При съемке местности различают три этапа работ: подготовительные, полевые и камеральные. В процессе подготовительных работ выбирают необходимый масштаб съемки, подбирают методы, оборудование и инструменты, определяют сроки и стоимость работ. В процессе полевых работ выполняют геодезические измерения на местности. При камеральных работах производят обработку полученной в поле информации и строят планы и карты.
Различают следующие виды топографической съемки: тахеометрический, нивелирование поверхности, фототопографический, мензульный, с помощью спутниковых приемников, а также воздушных и наземных лазерных сканеров.
Выбор метода съемки зависит от многих факторов: масштаба съемки, размера участка, особенностей местности (застроенная, незастроенная, залесенная, равнинная, холмистая), наличия оборудования и специалистов, сроков выполнения работ и др. Распространенный ранее метод мензульной (углоначертательной) съемки после появления электронных тахеометров практически не применяется.
В результате топографических съемок составляют топографические карты и планы, а также цифровые модели местности. Материалы наземной и аэрокосмической съемок местности служат основой для создания земельного и городского кадастров, а также формирования геоинформационных систем.
2.2. Геодезическое обоснование топографических съемок
Производству топографических съемок любого вида предшествует обязательная работа по созданию геодезического (планово-высотного) обоснования, качество которого определяет и точность получаемых топографических планов и ЦММ.
Геодезическое обоснование съемок представляет собой систему закрепленных на местности временных геодезических пунктов с известными плановыми координатами и отметками. В качестве планового обоснования съемок могут быть использованы государственные геодезические сети 1–4-го классов, а в качестве высотного – государственные нивелирные сети I–IV классов. Однако количества пунктов государственной геодезической сети и сетей сгущения, приходящегося на площадь снимаемого участка, оказывается недостаточно для производства топографических съемок. Поэтому осуществляется дальнейшее сгущение путем создания съемочного обоснования.
Съемочное обоснование развивается от пунктов плановых и высотных опорных сетей. На участках съемки площадью до 1 км 2 съемочное обоснование может быть создано в виде самостоятельной геодезической опорной сети.
При построении съемочного обоснования одновременно определяют положение точек в плане и по высоте. Плановое положение точек съемочного обоснования определяют проложением теодолитных и тахеометрических ходов, микротриангуляцией или различного рода засечками. Отметки точек съемочного обоснования обычно определяют геометрическим или тригонометрическим нивелированием (например, путем проложения нивелирного хода по пунктам теодолитного хода).
Наиболее распространенным плановым съемочным обоснованием крупномасштабных съемок (1 : 500 – 1 : 5000) являются, как правило, теодолитные ходы, проложенные между пунктами государственной геодезической сети. Теодолитные ходы могут быть замкнутыми и разомкнутыми, опирающимися на две точки с известными координатами (рис. 4) [10]. При съемке небольших участков допускается прокладка теодолитных ходов без привязки их к пунктам государственной геодезической основы.
Точки (вершины) хода выбирают таким образом, чтобы с них было удобно выполнять детальную съемку местности. Между соседними точками хода должна быть взаимная видимость.
Длины сторон теодолитного хода измеряются лентами (рулетками) или дальномерами. Каждую сторону измеряют дважды: в прямом и обратном направлениях. Расхождение в измеренных значениях допускается в пределах 1/2000 от измеряемой длины линии. Стороны ходов должны быть примерно равными, минимальная длина стороны хода 40 м, максимальная – 350 м. При измерении сторон хода светодальномерами длина линии может быть увеличена до 500 м. Относительные линейные невязки в ходах не должны превышать 1/2000, а при неблагоприятных условиях (болото, заросли) – 1/1000.
Рис. 4. Замкнутый (а) и разомкнутый (б) теодолитные ходы
Длины теодолитных ходов зависят от масштаба съемки. Например, при съемке в масштабе 1 : 500 длина хода не должна быть более 0,8 км на застроенной территории и 1,2 км на незастроенной. Углы поворота в вершинах ходов измеряют теодолитами технической точности полным приемом. Расхождение значений угла из полуприемов не должно быть более 2t, где t – точность отсчетного устройства теодолита.
Точки съемочного обоснования (вершины хода), как правило, закрепляют на местности временными знаками: деревянными кольями, столбами, металлическими штырями, трубами, гвоздями, а также откраской на асфальте и бетоне.
19) Виды и способы топографических съемок.
Совокупность действий, выполняемых на местности для получения плана, карты или профиля, называется съемкой.
Если съемка проводится для получения плана с изображением только ситуации, то ее называют горизонтальной (плановой), или контурной
Съемка, в результате которой должен быть получен план или карта с изображением ситуации и рельефа, называется топографической. При топографической съемке наряду с другими действиями производят измерения с целью определения высот точек местности, т е нивелирование В зависимости от применяемых приборов и методов различают следующие виды съемок
Теодолитная съемка— это горизонтальная (плановая) съемка местности, выполняемая с помощью угломерного прибора — теодолита и стальной мерной ленты (или дальномеров различных типов) При выполнении этой съемки измеряют горизонтальные углы и расстояния В результате съемки получают ситуационный план местности с изображением контуров и местных предметов
Тахеометрическая съемка выполняется тахеометрами, при этом на местности измеряют горизонтальные и вертикальные углы (или превышения) и расстояния до точек. По результатам измерений в камеральных условиях строится топографический план местности Данный вид съемки получил широкое распространение в инженерной практике
Мензульная съемка производится с помощью мензулы — горизонтального столика и кипрегеля — специального углоначертательного прибора, снабженного вертикальным крутом и дальномером. В процессе этой съемки топографический план местности составляется непосредственно в поле, что позволяет сопоставлять полученный план с изображаемой местностью, обеспечивая тем самым своевременный контроль измерений. В этом заключается достоинство мензульной съемки по сравнению с тахеометрической.
Наземная стереофотосъемка выполняется фототеодолитом, представляющим собой сочетание теодолита и фотокамеры. Путем фотографирования местности с двух точек линии (базиса) и последующей обработки фотоснимков на специальных фотограмметрических приборах получают топографический план снимаемого участка местности. Данная съемка применяется при дорожных, геологических и других изысканиях в горной местности, при съемках карьеров, оврагов и т. д.
Аэро- и космическая фотосъемки проводятся специальными аэрофотоаппаратами, устанавливаемыми на летательных аппаратах. Для обеспечения этой съемки на местности выполняют определенные геодезические измерения, необходимые для планово-высотной привязки аэроснимков к опорным точкам местности. Данный вид съемки является наиболее прогрессивным, допускающим широкую механизацию и автоматизацию производственных процессов; он позволяет в кратчайшие сроки получить топографические планы (карты) значительных территорий страны.
Перспективным направлением в области новых геодезических разработок являются съемки на базе системы спутникового позиционирования, обеспечивающие более эффективное решение задач земельного и городского кадастров.
Нивелирование (вертикальная или высотная съемка) производится с целью определения высот точек земной поверхности. Различают следующие виды нивелирования:
а) геометрическое, выполняемое с помощью приборов — нивелиров, обеспечивающих горизонтальное положение визирного луча в процессе измерений;
б) тригонометрическое, или геодезическое, выполняемое с помощью наклонного луча визирования;
в) барометрическое, основанное на физическом законе изменения атмосферного давления с изменением высот точек над уровнем моря;
г) гидростатическое, основанное на свойстве жидкости в сообщающихся сосудах устанавливаться на одинаковом уровне; выполняется с помощью шланговых нивелиров и применяется при наблюдениях за осадками сооружений, для передачи отметок через водные преграды, при монтаже технологического оборудования в стесненных условиях и т. д.;
д) автоматическое, или механическое, выполняемое с помощью профилографов-автоматов; такое нивелирование дает возможность автоматически получать профиль нивелируемой местности и определятьотметки отдельных точек.
Буссольная съемка производится с помощью буссоли и мерной ленты для получения ситуационного плана местности. В качестве самостоятельной буссольная съемка в настоящее время не применяется; иногда она используется для съемки небольших участков местности (например, в лесоустройстве и др.) как вспомогательная при других видах съемок.
Глазомерная съемка — контурная съемка местности, выполняемая на планшете с компасом с помощью визирной линейки. При сочетании глазомерной съемки с барометрическим нивелированием можно получить топографический план местности. Глазомерная съемка с самолета (вертолета) называется аэровизуальной. В инженерной практике данная съемка применяется при предварительном ознакомлении с местностью (рекогносцировке), а также при изысканиях в неисследованных районах.
Съемочная точка – точка, с которой выполняется съемка данного участка местности.
Съемочный пикет – точка, положение которой определяется относительно съемочной точки в процессе съемки данного участка местности.
1. Способ перпендикуляров (прямоугольных координат) — применяется на открытой местности для съемки контуров вытянутой формы и местных предметов, расположенных вблизи сторон теодолитного хода. Сторона теодолитного хода (например, АВ, рис. 78, а) принимается за ось абсцисс, а точка А — за начало координат. Положение снимаемых точек 1, 2, 3 определится длинами перпендикуляров /,,
Рис. 78. Способы съемки ситуации:
а — перпендикуляров; б — полярных координат; в — угловых засечек;
г — линейных засечек; д — створов; е — обхода
и расстояниями dv d2, d3 от точки А теодолитного хода до основания соответствующего перпендикуляра. Следовательно, для каждой характерной точки контура местности определяются прямоугольные координаты, по которым эти точки можно нанести на план. Для построения прямых углов на местности применяется двузеркальный экер.
2. Способ полярных координат (полярных направлений) применяется на открытой местности для съемки отдельных местных предметов и характерных точек контуров, удаленных от теодолитного хода.
Сторона теодолитного хода АВ (см. рис. 78, б) принимается за полярную ось, а вершина А (или В) — за полюс. Для определения планового положения точек (например, 1 и 2) достаточно измерить горизонтальные утлы j3j, P2 между исходным направлением и направлениями на снимаемые точки и расстояния /,, 12 до этих точек.
3. Способ биполярных координат (засечек). Для съемки труднодоступных точек на открытой местности целесообразно применять способ угловых засечек. Для этого в точках А и В (см. рис. 78, в) с помощью теодолита измеряют углы между стороной теодолитного хода АВ и направлениями на снимаемую точку N. Точка N на плане будет получена в пересечении направлений, построенных по этим углам.
При съемке доступных объектов с четкими очертаниями, расположенных вблизи сторон теодолитного хода, можно использовать способ линейных засечек. Для этого на стороне теодолитного хода АВ (рис. 78, г) выбирают две вспомогательные точки Oj и 02, отрезок b между которыми является базисом. Из точек О> и 02 лентой или рулеткой измеряют расстояния lv /2 до снимаемой ситуации точки М. Пересечение линейных засечек отрезками lv и 12 определит положение точки М на плане.
Способ створов (промеров) применяется в случаях, когда границы ситуации пересекают стороны теодолитного хода или продолжение сторон (см. рис. 78, д), а также для определения положения вспомогательных опорных точек (точка О). Положение снимаемых точек 1, 2, 3 определится линейными промерами dt, d2, d3. 5.Способ обхода применяется на закрытой местности для съемки важных объектов, которые из-за дальности и местных препятствий не могут быть засняты от вершин и сторон основного теодолитного хода. В этом случае вокруг снимаемого объекта (см. рис. 78, е) прокладывают дополнительный съемочный ход 1-2-3-4-5, который привязывают к основному ходу. Углы в съемочном ходе измеряют одним полуприемом, а стороны стальной лентой или с помощью нитяного дальномера (в коротких ходах). Границы контура снимают от сторон съемочного хода способом перпендикуляров.
Если контур снимаемого объекта имеет прямолинейные границы (сельскохозяйственные угодья, лесонасаждения, застройки и т. п.), то съемочный ход прокладывают непосредственно по границам объекта. Очертание этого хода в рассматриваемом случае и представит собой контур снимаемого объекта.
3.1. Топографическая съемка местности. Классификация топографических съемок
Топографическая съемка (топосъемка) выполняется для получения топографической карты или топографического плана участка местности. На этих документах изображаются все объекты местности, контуры и рельеф. Топографические планы, в свою очередь, могут служить основой для создания широкого круга специальных карт, планов и других документов (например, планов подземных коммуникаций, картосхем маршрутов движения городского транспорта и т. д.). Существует несколько классификаций топографических съемок [3].
Например, по способу хранения и выдачи пользователю топографической информации различают аналоговый режим и цифровой. В первом случае информация о местности хранится и выдается пользователю на бумажных носителях (топокартах и топопланах). Второй режим считается, в настоящее время, более прогрессивным и удобным для использования в различных компьютиризированных информационных системах. Здесь собранная информация хранится в цифровом (закодированном) виде на магнитных носителях, CD-дисках и т.п.
Однако наибольший интерес для специалистов представляет классификация топографических съемок по технологии сбора исходной информации. По этой классификации все методы топосъемки подразделяются на три большие группы:
наземные методы съемки;
Наземная съемка выполняется непосредственно с земной поверхности. В зависимости от используемых приборов, оборудования, применяемой технологии наземная съемка, в свою очередь, может быть нескольких видов [3]:
При выполнении мензульной съемки карта в карандаше полностью рисуется на местности. Поэтому созданная карта, как правило, отличается хорошим качеством. Однако здесь очень большой объем полевых работ, производство которых сильно зависит от погодных условий. Поэтому производительность труда при выполнении мензульной съемки очень низкая и эта съемка, в настоящее время, практически не применяется в геодезическом производстве.
Тахеометрическая съемка имеет большую производительность труда. Во-первых, потому, что она в меньшей степени зависит капризов погоды, так как на местности выполняется только сбор измерительной информации, а сама карта или план рисуются в камеральных условиях. Во-вторых, применение современных электронных техеометров позволяет автоматизировать процессы сбора и последующей математической обработки измерительной информации. Поэтому тахеометрическая съемка является основным видом наземной съемки.
Горизонтальной называется такой вид наземной съемки, при которой на плане участка местности не показывается ее рельеф [3]. При вертикальной съемке наоборот на плане имеется изображение рельефа и практически отсутствует плановая ситуация. Например, съемка котлована будущего здания или сооружения, съемка дна траншеи перед укладкой труб канализации и т. д.
При фототеодолитной съемке производится фотографирование местности специальной фотокамерой с двух точек наземного базиса ( базисом называется измеренное с высокой точностью расстояние, концы которого закреплены на местности центрами) при параллельном положении оптических осей этой камеры. Полученные фотоснимки позволяют в камеральных условиях на специальных приборах построить стереоскопическую модель местности. По координатам точек установки фотокамеры, определенным из геодезических измерений, высоте центра объектива и другим элементам внешнего ориентирования оптической оси фотокамеры можно получить на этих приборах топографический план или карту местности.
Фототеодолитную съемку применяют в горных и всхолмленных районах при создании топографических планов и карт масштабов 1:1000 – 1:10000. Ее основное преимущество заключается в значительном сокращении объемов полевых работ по сравнению с другими наземными методами топографической съемки.
Основным методом государственного картографирования территории является аэрофотосъемка. Аэрофотосъемку выполняют обычно стереотопографическим способом. Этот способ заключается в том, что местность фотографируется специальным фотоаппаратом (аэрофотоаппаратом) с самолета, вертолета или другого носителя съемочной аппаратуры. Фотографирование местности выполняется таким образом, чтобы на двух смежных снимках имелось изображение одного участка местности (получались, так называемые, стереоснимки). Обработка снимков и рисовка карты выполняется на специальных приборах (стереоприборах) в камеральных условиях.
В комбинированной съемке соединяются два вида съемок: наземная и аэрофотосъемка. По результатам аэрофотосъемки составляется фотоплан местности, на котором уже будет изображена ситуация. Рельеф местности рисуется в полевых условиях, для чего выполняется наземная мензульная съемка.
3.2. Обобщенная технологическая схема производства топографических съемок
Конкретная технология производства топографической съемки безусловно зависит метода и вида съемки, применяемых приборов, масштаба будущей карты и других факторов. Однако, не вдаваясь пока в особенности того или иного способа, можно представить некую обобщенную технологическую схему производства топосъемки (Рис. 20).
Работы по съемке территории начинаются с составления технического проекта или проектирования. Отправной точкой проектирования является задание на выполнение топографической съемки, которое выдается заказчиком ра-
Рис. 20. Обобщенная технологическая схема производства топографической съемки
бот. В задании обязательно должно быть указано местоположение объекта, его площадь, масштаб будущей карты или плана, сроки выполнения работ. Кроме этого в задании могут формулироваться и другие важные, по мнению заказчика, требования к полноте и точности изображения элементов картографируемого объекта.
Далее проектировщик должен собрать сведения о ранее выполненных на территории объекта геодезических и топографических работах. Его, прежде всего, интересует, когда и каким способом была выполнена предыдущая съемка, какого масштаба карты были созданы. Анализ собранной информации позволяет решить вопрос о возможности и целесообразности использования ранее выполненных съемок.
При выборе способа съемки должны учитываться площадь объекта, масштаб картографирования, возможности исполнителей и другие факторы. Если окажется, что можно применить несколько способов (например, стереотопогрфическую или тахеометрическую съемку), то предпочтение отдается более дешевому из них. Заканчивается проектирование подсчетом сметной стоимости работ, проработкой вопросов организации и техники безопасности.
Во втором блоке (Рис. 20) содержатся все технологические процессы, связанные с созданием на объекте опорной геодезической сети и рассмотренные ранее в разделе 2.7. При этом под опорной геодезической сетью понимается в общем случае совокупность государственной и местной, плановой и высотной сетей. Процесс создания геодезических сетей будет иметь место в том случае, если эти сети будут строиться с нуля. Однако, как правило, перед съемкой будет требоваться только сгущение (реконструкция) опорной сети. Нужно отметить, что процесса создания опорной геодезической сети может не быть вообще, если в ходе проектирования будет установлено, что эта сеть создана нужной точности и густоты и она сохранилась на местности.
Съемочная сеть предназначена для сгущения государственных и местных сетей до необходимой плотности. Нормы плотности зависят от выбранного способа съемки и регламентируются действующими инструкциями и другими нормативными документами. Технология создания съемочных сетей существенно проще описанной в разделе 2.7. В чем же заключаются эти упрощения?
Во-первых, процесс проектирования сводится к минимуму: подсчитывается лишь примерное количество пунктов (точек съемочной сети), выбор их местоположения производится сразу в полевых условиях. Во-вторых, на пунктах съемочных сетей никогда не строятся геодезические знаки. Третье отличие состоит в том, что процессы выбора местоположения пунктов, их рекогносцировки, закрепления на местности и производства полевых измерений выполняются одним исполнителем. В-четвертых, закрепление точек сети на объекте, как правило, выполняется таким образом, чтобы они сохранялись временно только на период съемки.
После построения опорных и съемочных сетей и получения каталогов плановых координат и высот пунктов наступает очередь выполнения четвертого этапа технологической схемы (Рис. 20), производства самой топографической съемки. Этот этап заключается в выполнении комплекса полевых работ по сбору метрической и иной информации о местности. Конкретная технология сбора этой информации будет зависеть от запланированного способа съемки, применяемых приборов и оборудования.
Обработка материалов топографической съемки относится к камеральным работам топографо-геодезического производства. Этот процесс может занимать значительное время и выполняется, как правило, в специализированных цехах, бригадах. На выходе пятого этапа получается первый экземпляр будущей карты или плана, который называется составительским оригиналом. На созданном оригинале должна быть изображена картографируемая территория с соблюдением всех требований нормативных документов и дополнительных требований заказчика, если они имелись.
Далее результаты топографической съемки могут поступать в шестой или (и) в седьмой блоки (Рис. 20). Создание цифровых моделей местности заключается в преобразовании картографической информации из аналоговой в цифровую форму. Цифровая форма хранения на дискетах, дисках и т.д. (в отличии от хранения на бумажных носителях) является, в настоящее время, более прогрессивной. Она позволяет оперативно фиксировать и вносить в цифровую модель произошедшие на местности изменения, а также автоматизировать многие процессы топографо-геодезического производства.
Издание картографической продукции происходит на специальных картографических фабриках, работа которых напоминает работу типографий. Карта должна пройти сложный технологический путь, чтобы превратиться из составительского оригинала в многоцветную продукцию, отвечающую современным требованиям. На этом пути и изготовление печатных форм, количество которых должно соответствовать числу цветов, и последовательное впечатывание информации по цветам в каждый экземпляр карты или плана.