ЗМ4 ВЕЛИКОМАСШТАБНІ ІНЖЕНЕРНО-ТОПОГРАФІЧНІ ЗЙОМКИ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Івано-Франківський національний технічний
Університет нафти і газу
Кафедра інженерної геодезії
К. О. Бурак
ОСНОВИ ІНЖЕНЕРНОЇ ГЕОДЕЗІЇ. ІНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИШУКУВАНЬ І ПРОЕКТУВАННЯ. СПЕЦІАЛЬНІ РОЗДІЛИ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
ЧАСТИНА 2
Івано-Франківськ
УДК 528.48
ББК 26.12
Б 24
Рецензенти: Рудий Р.М. доктор технічних наук, професор
Пилипюк Р.Г. кандидат технічних наук, доцент
Рекомендовано методичною радою університету
(протокол №____від__________)
Бурак К. О.
Основиінженерної геодезії. Інженерно-геодезичне забезпечення вишукувань і проектування. Спеціальні розділи. Конспект лекцій. Частина 2: конспект лекцій. - Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2013.- 183 с.
МВ 2013
Конспект лекцій складено відповідно до робочої програми курсу “Основи інженерної геодезії”. Містить основні теоретичні відомості, контрольні питання і завдання для самостійної роботи з вивчення розділу “ Інженерно-геодезичне забезпечення вишукувань і проектування”. Призначений для підготовки бакалаврів за напрямом підготовки 6.080101 “Геодезія, картографія та землеустрій” .
УДК 528.48
ББК 26.12
МВ 2013 © Бурак К.О.
© ІФНТУНГ, 2013
З М І С Т
Вступ………………………………………………………….…6
ЗМ4 ВЕЛИКОМАСШТАБНЕ
КАРТОГРАФУВАННЯ ………………………... . …………12
4.1 Загальна характеристика великомасштабних
планів……………………………………… …………………..12
4.1.1 Види і характеристики
великомасштабних планів……………………………….…….13
4.1.2 Точність, детальність і повнота
топографічних планів…………………………..……….…...…13
4.2 Точність картометричних робіт …………………….…15
4.2.1 Точність визначення віддалей і напрямів……………..15
4.2.2 Точність визначення площ …………………………….16
4.2.3 Точність зображення рельєфу………….………………17
4.3 Загальні вимоги до
великомасштабного картографування………………………...20
4.4 Основні технологічні
процеси аерофотографічного знімання………………………..25
4.5 Наземні методи топографічних знімань……………...32
4.5.1 Зйомка забудованої території .……………………… 32
4.5.2 Зйомка незабудованої території….…………………..37
4.6 Контрольні питання….………………………………. 38
ЗМ 5 ПОШУК І ЗНІМАННЯ
ПІДЗЕМНИХ КОМУНІКАЦІЙ .………………………….…41
5.1 Загальні положення………………………………….…41
5.2 Види підземних комунікацій ……………….…..44
5.3 Індуктивний метод пошуку ………………46
5.4 Фізичні основи індуктивного
методу пошуку………………………………………48
5.5 Сучасні прилади пошуку
підземних комунікацій……………………..………..53
5.6 Радіолокаційний метод пошуку….………..56
5.6.1 Фізика процесу…….………………………..56
5.6.2 Прилади і методи пошуку…….……………60
5.7 Контрольні питання…….…………………..62
ЗМ 6 ЛАЗЕРНЕ СКАНУВАННЯ………..……….64
6.1 Загальні положення…….……………………..64
6.2 Основи виконання наземної
лазерної зйомки………………………………………67
6.3 Принципи імпульсного і фазового
методів виміру віддалей ……………………………70
6.4 Огляд НЛС……………………………………..74
6.5 Контрольні питання……...……………………78
ЗМ 7 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РЕЛЬЄФУ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ВЕЛИКОМАСШТАБНИХ ЗЙОМОК…….……...80
7.1 Основні положення……..…………………...…80
7.2 ЦМР для розв’язання інженерних задач……88 7.2.1 Алгебраїчна теорія структурної ЦМР……… 88
7.2.2 Обгрунтування процедури відновлення
структурної ЦМР……….………………….91
7.2.3 Алгоритм профілювання з
автоматичною побудовою структурної
моделі для розв’язання інженерних задач……97
7.3. Використання SURFER для розв’язання інженерних задач з використанням ЦМР……101
7.3.1 Основні теоретичні відомості………………101
7.3.2 Створення і редагування регулярної сітки…104
7.3.3 Підрахунок об’ємів з використанням SURFER……………………………………….110
7.3.4 Приклад аналізу результатів експериментів з визначення об’ємів……………………………114
7.4 Візуалізація рельєфу за результатами інженерних вишукувань з використанням
SURFER………………………………………117
7.4.1 Основні положення………………………….117
7.4.2 Тренувальне завдання ………………………126
7.5 Алгоритм автоматичної побудови
дискретного каркаса горизонталей шляхом складання незв’язного графа………………….127
7.6 Контрольні питання……………………………….139
Перелік використаних джерел ………………………..141
ВСТУП
Інженерна геодезія - великий розділ геодезичної науки, в якому вивчаються методи топографо-геодезичного забезпечення розв’язку різноманітних наукових і практичних завдань, пов'язаних з будівельно-монтажним виробництвом (включаючи і проектування), дослідженням природних ресурсів та добуванням корисних копалин, геодезичним контролем експлуатаційної надійності будівель, споруд і технологічного обладнання в процесі експлуатації.
Тільки перелік основної навчальної і нормативної літератури з даної галузі містить сотні найменувань, тому обсяг підручника, в якому б описувались детально всі інженерно-геодезичні роботи, важко собі навіть уявити. Для прикладу, фундаментальний посібник [1] проф. Барана П. І. містить більше 600 сторінок і це, незважаючи на те, що автор доклав чималих зусиль, щоб максимально стисло викласти матеріал, з огляду на це, навіть не приводив доведення формул. Разом з тим, автор даної роботи переконаний, що створити підручник, який би відповідав на всі питання практики, не можливо і не потрібно. Професія інженера-геодезиста, особливо, який спеціалізується в галузі інженерної геодезії - це найбільш творча професія, яка вимагає постійної самостійної роботи як над вдосконаленням нормативних методик виконання доручених інженерно-геодезичних робіт, так і розроблення нових, з максимальним використанням новітніх досягнень, особливо, в галузі геодезичного приладобудування.
Професором Відуєвим М. Г. (автором першого підручника з інженерної геодезії на українській мові [2] ) запропоновано курс інженерної геодезії розподіляти на чотири складові частини:
1) інженерно-геодезичні розвідування;
2) інженерно - геодезичне проектування ;
3) геодезичні розпланувальні роботи;
4) інженерно-динамічна геодезія.
В даному посібнику автор розділив курс на три частини, хоча назви їх, в основному, відповідають поділу, запропонованого М.Г.Відуєвим:
1) інженерно - геодезичне забезпечення інженерних вишукувань і проектування ;
2) геодезичний контроль будівельно-монтажних робіт;
3) інженерно-динамічна геодезія.
Внесені зміни пояснюються наступним.
В більшості підручників в розділі інженерно-геодезичне проектування описуються розрахунки при складанні проектів горизонтального і вертикального проектування, які дуже детально вивчаються студентами будівельних спеціальностей і саме проектанти-будівельники займаються цими розрахунками на виробництві. Звичайно, інженер-геодезист повинен мати уявлення про ці роботи, але виділення їх в окрему частину інженерної геодезії на нашу думку недоцільне.
При написанні підручника автор зустрівся з труднощами при віднесені того чи іншого виду інженерно-геодезичних робіт до інженерних вишукувань чи проектування, які дуже тісно пов’язані. Наприклад, камеральне трасування лінійних споруд є, за суттю, і їх проектуванням. Можна привести ще подібні випадки. З огляду на це автор зупинився на прийнятій ним назві першої частини.
Заміна терміна ”розвідування”, який автор вважає більш вдалим, на вишукування, пояснюється тим, що термін “вишукування”, на жаль, загальноприйнятий в усій сучасній нормативній літературі, яка регламентує як виконання інженерних вишукувань, так і будівельних робіт.
Саме тому автор також настоює на використанні в назві третього розділу терміну ”геодезичний контроль”, тим більше, що саме цей термін закріплений у ДБН України [6].
Відзначимо, також, що термін “інженерна динамічна геодезія” був несправедливо забутий у пізніших монографіях, можливо тому і у даний час слова проф. Відуєва М. Г.: ”…..ця частина інженерної геодезії розроблена найменше. Багато питань проведення й опрацювання таких спеціальних геодезичних спостережень ще не вирішено, немає зіставлення геодезичних методів з іншими методами випробовування споруд....” є справедливі й актуальні.
Появу в практиці інженерно-геодезичних робіт сучасних трьох координатних автоматизованих вимірювальних систем (TPS, лазерних сканерів), на нашу думку, уже в наш час, за своїми революційними наслідками можна порівняти із введенням у практику GPS - технологій у вищій геодезії, яка на очах перетворилася в динамічну геодезію, вирішуючи навіть і геопланетарні проблеми. Так само сучасні прилади в інженерній геодезії зробили геодезичні методи не тільки конкурентоздатними, зокрема, з іншими методами неруйнівного контролю напружено-деформованого стану конструкцій, але і, в багатьох випадках, саме цим методам, причому далеко не тільки в будівельній справі, на наше глибоке переконання, буде надана перевага.
При виконанні таких робіт на діючих підприємствах інженер-геодезист має справу з метрологічною службою. Метрологічна служба розглядає інженерно-геодезичні виміри, як технічні, які згідно діючих нормативних документів повинні виконуватись не тільки за діючими геодезичними інструкціями, але і за затвердженими на рівні галузі або підприємства методиками. Нагадаємо, що методика технічних вимірів це - комплекс міроприємств, які забезпечують одержання результату вимірів з наперед заданою точністю. Необхідність розроблення і затвердження таких методик хоча б на рівні підприємства при виконанні геодезичних робіт, врахована в частині інженерно-динамічна геодезія при викладі матеріалу.
Поданий у даному посібнику матеріал трьох частин першого розділу грунтується в основному на двох нормативних документах, на основі яких розробляють методики інженерно-геодезичних вишукувань: ДБН А.2.1-1-2008 “Інженерні вишукування для будівництва”[5] та “Інструкція з топографічного знімання в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000,1:500” ГКНТА-2.04.02-98 [7]. Ці документи встановлюють основні положення і вимоги до проведення інженерних вишукувань для будівництва на території України, і є обов’язковими для виконання для всіх і в усіх випадках, без винятку. Разом з тим, ці норми детально не регламентують методи і технології проведення інженерно-геодезичних вишукувань – вони є предметом спеціальних інструкцій і посібників. Так на території України діють більше 240 нормативних актів і документів колишнього СРСР на виконання топографо - геодезичних і картографічних робіт, 36 Законів України та інших законодавчих актів верховної Ради України, указів Президента України, Постанов Кабінету Міністрів, 30 нормативних документів Укргеодезкартографії і список цей постійно розширяється. Вивчення матеріалу даного посібника ні в якій мірі не виключає необхідність вивчення і навіть конспектування цих документів. Спочатку автор наводив у вигляді узагальнювальних таблиць основні вимоги нормативних документів, але з часом зрозумів, що це не виключає можливості замість вдумливого, ретельного вивчення нормативних документів зупинятись на банальному зазубрюванні матеріалу цих таблиць. Це можна порівняти з випадком, коли замість читання першоджерел літературних творів вивчають коментарі літературознавця в підручнику, що в більшості випадків і відбувається. Хоча в випадку літератури (художньої) автор дотримується думки, що учень повинен вивчати твори виключно за першоджерелами, а підручники з літератури треба писати для вчителів і тому вважає абсолютно необхідним вивчення і конспектування основних нормативних документів, але незважаючи на це, він все-таки взявся за написання цього розділу конспекту лекцій. Справа в тому, що величезний список нормативних документів не виключає необхідності, як ми вже відзначали, для майже кожного конкретного об’єкта розробляти свій індивідуальний проект виконання геодезичних робіт, що вимагає творчого застосування їх матеріалу. Це, для прикладу, індивідуальні схеми оптимальної побудови опорної мережі для даного об’єкта, звідси необхідність оцінки її точності в даному конкретному випадку, вибір оптимальних методик виконання знімальних робіт тощо. Практика також показує, що нормативні документи з часом відстають від досягнень науково-технічного прогресу, особливо геодезичного приладобудування, а використання нових приладів вимагає творчого підходу, самостійного розроблення нових методик. Допомогти студентові саме в цьому і намагався автор. На його думку, це можливо тільки в тому випадку, якщо в підручнику не зупинятись тільки на приведенні вимог нормативних документів, а за можливості зосередитись на відповідях на питання, чим обґрунтовується необхідність дотримання тих чи інших їх вимог. Наскільки йому це вдалось, судити Вам. Зважаючи на наявність великої кількості публікацій з тематики, що вивчається, методично досконалих підручників, наприклад [10], в тому числі і сучасних [1],[3], у даній роботі автор в основному зосередився на спеціальних розділах, присвячених суті новітніх методів інженерно-геодезичних вимірів. При цьому він тільки в мінімальній кількості вказує матеріал, який можна знайти як у згадуваних вище підручниках, так і чинних нормативних документах, зосередившись на новітніх публікаціях, у тому числі і на матеріалах виконаних ним особисто досліджень. Особливо це стосується матеріалу, присвяченого цифровому моделюванню рельєфу та інженерно-динамічній геодезії.
У першій частині першого розділу роботи розглянуто питання :
- види і завдання інженерно-технічних взагалі та інженерно-геодезичних вишукувань зокрема;
- в історичному аспекті питання створення, необхідної щільності і точності побудови державної геодезичної мережі України та шляхи її розвитку з точки зору використання при інженерно-геодезичних роботах;
- використання ГНСС для визначення координат геодезичних пунктів.
Друга частина першого розділу конспекту лекцій містить матеріал, присв’ячений:
- загальним питанням великомасштабного картографування з використаннямт сучасних приладів, в тому числі і використанню міні гелікоптерів;
- проблемним питання великомасштабного картографування, пов’язаним з пошуком та зніманням підземних комунікацій, в тому числі і найбільш сучасний радіолокаційний метод пошуку;
- сучасному стану лазерного сканування;
- математичному моделюванню рельєфу за результатами великомасштабниз зйомок;
Щодо цього матеріалу, а також проблем використання ГНСС в інженерній геодезії, описаних у частині першій конспекту лекцій, то автор добре усвідомлює, що взявся за невдячну роботу. Прогрес у галузях електронного приладобудування і спеціалізованого програмного забезпечення такий, що зовсім не виключається те, що на момент, коли даний підручник потрапить у руки читачеві, він безнадійно застаріє. Крім того, виробники сучасних геодезичних приладів не відкривають до кінця технологічних секретів своїх виробів, і доводиться сприймати їх як свого роду “чорні ящики”. Користувач приладу одержує вичерпну інформацію про те, що повинно надходити на вхід, про те, що ми одержуємо в результаті вимірів, але про те, що відбувається всередині приладу, він може лише здогадуватись.
Всі побажання з поліпшення методичної побудови посібника і покращення якості матеріалу, що викладається будуть сприйняті втором з вдячністю.
ЗМ4 ВЕЛИКОМАСШТАБНІ ІНЖЕНЕРНО-ТОПОГРАФІЧНІ ЗЙОМКИ
4.1 Загальна характеристика великомасштабних планів
4.1.1 Види і характеристики планів.
Великомасштабні топографічні плани, масштабів 1:5000, 1:2 000, 1:1 000 та 1:500, поділяють на основні, призначені для вирішення загально топографічних завдань (наприклад, у містах та промислових районах) та спеціалізовані (вишукувальні, виконавчі, інвентаризаційні, кадастрові тощо).
Основні великомасштабні плани складають згідно з вимогами нормативних документів Укргеодезкартографії та Інструкції з топографічного знімання у вказаних вище масштабах [4], з відображенням усіх об'єктів, контурів та елементів рельєфу територій у прийнятих умовних знаках.
При складанні спеціалізованих планів, крім вказаних вище вимог державного картографування, враховують вимоги відомчих інструкцій, державних будівельних норм (ДБН) та спеціальних вимог, закладених у технічному завданні на виконання робіт. При цьому допускається використовувати і відомчі умовні знаки для відображення об'єктів та контурів місцевості, особливо, під час знімання підземних інженерних мереж, залізничних вузлів тощо.
Серед спеціалізованих планів особливе місце посідають інженерно-топографічні плани, які використовують для проектування, будівництва, реконструкції та експлуатації інженерних споруд. Залежно від їх призначення розрізняють:
- вишукувальні;
- виконавчі;
- інвентаризаційні плани;
- кадастрові плани.
Перші складають під час вишукувань для вибору оптимального варіанта розміщення об'єкта будівництва (генерального або детального плану, траси транспортної магістралі тощо), другі – в процесі будівництва для контролю відповідності побудованої споруди проекту, треті - для експлуатації споруд, обліку, технічного обслуговування, ремонту підземних комунікацій тощо.
Якщо в старих підручниках відмічали, що кадастрові плани “у великому обсязі складаються в закордонній практиці”, то в наш час це повністю стосується вітчизняної практики. Кадастрові плани - це плани державних і приватних володінь, на яких детально зображають всі споруди, земельні лісові і водні угіддя, як і на основних топографічних планах (у більшості випадків вони повинні бути їх основою) і додатково дають їх детальну характеристику з оцінкою вартості і якості.
4.1.2 Точність, детальність і повнота топографічних планів.
Точність плану характеризується величинами сумарних СКП планового і висотного положення точок ситуації та рельєфу. Якщо врахувати, що кожна точка плану визначається на місцевості за координатами, то СКП її планового положення 
знаходять за формулою:
, (4.1)
де 
(4.2)
похибки вимірювання координат точки, в які входять похибки побудови планової знімальної основи, похибки знімання, графічних побудов при складанні графічного або фотограмметричного плану та їх деформацій.
Згідно з Інструкцією [4] СКП точки ситуації відносно найближчих пунктів знімальної основи не може перевищувати 0,5 мм на плані будь-якого масштабу для чітких контурів на забудованих територіях і 0,9 мм - для лісових насаджень і в гірських районах. Проте залежно від завдань проектування вимоги до взаємного положення контурів можуть змінюватися як у бік зменшення вимог, так і їх збільшення. Наприклад, у випадку розміщення об'єкта на території з капітальними і висотними будинками вказану похибку зменшують до 0,2 мм, а на незабудованій території вона може бути збільшена до 0,5 мм у масштабі плану.
За експериментальними даними при виконанні всіх вимог Інструкції [4] mк повинна бути в межах 0,18÷0,30мм, а mm , відповідно, в межах 0,3÷0,4 мм. Точність копій планів, звичайно як правило, дещо нижча (вплив похибок копіювання, деформація носія) і вважають рівною 0,5 мм.
Детальність плану характеризується ступенем допустимого спотворення (генералізації) контурів об'єктів та елементів рельєфу при складанні планів і залежить від їх масштабу: чим більший масштаб, тим менше узагальнень і тим вища детальність зображення. Згідно з вимогами інструкції похибки генералізації чітких контурів на плані не повинні перевищувати 0,5 мм, а архітектурних деталей - 0,3 мм у масштабі плану [4]. У цих межах допускається спрямлення ( виправлення) контурів і меж.
Повнота плану характеризується ступенем його насиченості контурами об'єктів та елементами рельєфу і виражається мінімальними розмірами об'єктів та віддалей між ними. Найбільшої повноти плану вимагають роботи з картографування капітальної забудови та підземних комунікацій, особливо під час їх реконструкції. У цих випадках вимоги до повноти плану є визначальними при виборі масштабу, який визначають за формулою
М = lm, (4.3)
де lm - необхідний просвіт між знаками в міліметрах.
Найповнішу інформацію про конфігурацію об'єктів та елементи рельєфу місцевості дають ортофотоплани, які складаються за матеріалами аерофотознімання.
За дослідженнями проф. Неумивакіна Ю. К. [7] повнота і детальність плану можуть бути представлені інформаційними характеристиками (ІХ) - середньою кількістю інформації на 1га площі. Максимальні значення ІХ залежно від масштабу вказано в табл. 4.1
Таблиця 4.1- Максимальні значення ІХ залежно від масштабу
| М | ||||
| ІХmax |
У великих містах із забудовою до 25 % - ІХmax = 480, для детального проектування забудованої території необхідна кількість інформації складає 300-400 ІХ. Тому, для забудованих територій масштаб зйомки повинен бути 1:500, як цього і вимагають ДБН.