етодология обработки данных в комплексе CREDO

лава 2. Общие сведения о Credo_Dat

Реализуемый в современных технологиях процесс сбора данных, за исключением создания опорных геодезических сетей, не разделяется на создание планового, высотного обоснования, съемочные или обмерные работы. Поэтому файл данных, формируемый в процессе выполнения работ с использованием электронной регистрации, содержит всю совокупность измерений и введенной в процессе съемки семантической информации в порядке их регистрации. Кроме того, резко изменившиеся, по сравнению с традиционными нормативными характеристиками, точностные параметры современных средств измерений существенно расширяет выбор схем построения плановых и высотных сетей, что размывает границу между методами построений (трилатерация, триангуляция, полигонометрия).

Вес это определяет методологическую основу программного комплекса CREDO, базирующуюся на двух основных принципах: комплексном подходе к обработке информации и модульной структуре программного обеспечения [7].

Комплексность обработки информации достигается насыщением информационного, технологического и программного обеспечения средствами, позволяющими вводить и обрабатывать разнообразную метрическую, семантическую и синтаксическую информацию, создавать цифровую модель местности и решать на ее основе различные задачи в интересах пользователя. Такие средства, в частности, обеспечивают возможность:

-различных преобразований координатных систем;

-использования информации, полученной по современным технологиям с помощью разнообразных геодезических приборов, стоящих на вооружении производственных предприятий и организаций, и полной ее обработки методом наименьших квадратов с оценкой точности уравненных значений всех неизвестных и их функций;

-построения цифровой модели местности инженерного назначения по результатам полевой топографической съемки или векторизации имеющегося картографического материала;

- решения на основе цифровой модели местности различных прикладных задач, и в частности - создания проектов зданий и сооружений.

- транспортных коммуникаций, формирования земельного участка и др. с получением, при необходимости, цифровой модели проекта, чертежного плана и пр.;

- взаимодействия с распространенными ГИС - и CAD-системами экспортируя и импортируя информацию [7].

Каждая из перечисленных позиций требует решения достаточного большого числа локальных задач. Например, реализация первых двух позиций предполагает:

- определение и преобразование эллипсоидальных, геоцентрических и прямоугольных координат с использованием заданного эллипсоида и математической проекции;

- определение параметров связи координатных систем и др.;

- ввод потока полевой информации, полученной с помощью устройств регистрации, автоматическое разделение (сепарацию) ее по видам геодезических измерений, классам точности и формирование схем геодезических построений;

- наличие разветвленной системы полевого кодирования синтаксических и семантических данных, полного описания атрибутов объектов местности и подготавливаемых программами CREDO проектов;

- выполнение комплекса предварительных вычислений, включающих расчет измеренных значений угловых и линейных величин, контроль технических допусков, учет редукционных поправок, определение рабочих координат определяемых пунктов, локализацию ошибочных данных и пр.;

- выявление и локализацию ошибочных данных;

- уравнивание неравноточных измерений, выполненных в геодезических построениях методом наименьших квадратов с оценкой точности уравненных значений неизвестных и их функций [7].

Комплексность обработки предполагает реализацию эффективной технологии «сквозной» обработки информации, начиная от ее создания (получения) и заканчивая проектом, разбивочным чертежом и иным документом, являющимся конечным продуктом деятельности проектно-изыскательской организации. При этом получаемый план местности становится не целью работ, а лишь средством ее достижения [10].

Модульная структура программного обеспечения CREDO позволяет, с одной стороны, обеспечить комплексность обработки данных, а с другой стороны - возможность формирования разнообразных по составу и функциональным возможностям пакетов программ. Так, по состоянию на начало 2009 г. программное обеспечение комплекса CREDO включало более 30 специализированных программных модулей, ориентированных на решение конкретных задач инженерной геодезии, цифровой картографии, маркшейдерии, землеустройства, проектирования различных объектов или их элементов и пр. Комбинация этих моделей позволяет сформировать линейку программных продуктов, ориентированных на решение задач конкретного пользователя.

Например, линейка программных продуктов, обеспечивающая решение задача межевания земельных участков по тем или иным исходным данным, выбираемым в зависимости от категории земель, требуемой точности и наличия необходимых материалов, включает пять модулей (см. Приложение 1,б), каждый из которых выполняет следующие функции.

Программа ТРАНСКОР: преобразование координат исходных пунктов, используемых в качестве геодезической основы, в местную систему координат.

Система CREDO_DAT: ввод и полная обработка измерений, включающая:

-ввод результатов полевых измерений и их сортировка по типам построений (сеть сгущения, плановое и высотное съемочное обоснование и пр.);

-вычисление значений направлений, углов, превышений, длин линий, редукционные вычисления, установление рабочих координат определяемых пунктов; выявление и исключение ошибочных данных;

-уравнительные вычисления с оценкой точности всех неизвестных и их функций, обработка материалов съемки объектов местности с полным или частичным их формированием.

Программа TRANSFORM: подготовка растровой основы (сшивка листов имеющейся топографической основы, привязка к нужной системе координат, трансформирование растра, обрезка свободных полей и пр.)

Система CREDO ТОПОПЛАН: загрузка исходных данных, подготовленных программами TRANSFORM или CREDO_DAT, после чего используется один из двух вариантов их обработки:

- векторизация растровой топографической основы;

- построение цифровой модели местности по результатам съемки или векторизации растровой основы.

Программа ЗЕМПЛАН: формирование земельного участка, дела по установлению его границ и вывод на печать всех подготовленных документов.

Аналогично формируются другие линейки программных продуктов. Все это позволяет максимально учесть потребности производства, сохранить возможность их пополнения новыми технологическими линиями при полном сохранении концепции и общих принципов обработки разнородной информации при гарантированной информационной совместимости формируемых данных [4].

Обработка полевых данных в системе CREDO_DAT

Начальные установки и ввод данных. В общем случае обработка данных включает:

- ввод начальных установок, создание нового или открытие существующего проекта, ввод элементов его описания (свойств проекта);

- ввод (импорт) данных, их редактирование в табличных редакторах;

- предварительная обработка измерений;

- уравнивание координат пунктов планово-высотного обоснования;

- обработка материалов топографической съемки;

- подготовка отчетов, создание чертежей и экспорт данных.

При необходимости этот перечень дополняется другими операциями, такими как составление проекта съемочного обоснования, преобразование координатных систем, выявление и локализация ошибочных данных и др.

Начальные установки программы включают определение некоторых общих данных, элементов и параметров, единых для проекта или их группы, и всегда предшествуют выполнению расчетов. В частности, на этом этапе выбирается система классификации, координат и высот, эллипсоида, настройка табличных редакторов, формата и точности представления данных и др.

Классификатор объектов определяет систему кодирования постоянных и переменных свойств объектов (их атрибутов) и их, и его установка сводится к указанию места его размещения.

Система координат и высот устанавливается аналогично тому, как это делается в программе ТРАНСКОР и вместе с эллипсоидом определяет координатную основу. Ошибки или неточности их установления могут сказаться на корректности предварительной обработки, точнее - вычисления редукционных поправок.

Настройка табличных редакторов выполняется путем изменения ширины, наименования столбцов, определения их содержания и формата представления данных, управления видимостью столбцов (см. Приложение 1,а) и создает комфортные условия при вводе, визуализации и редактировании исходных данных.

Шаблоны выходных документов формируются в соответствии с требованиями и традициями конкретной организации, с помощью Генератора отчетов.

Группа общих настроек (см. Приложение 2, а) позволяет ввести данные об организации (пользователе), единицах измерения и точность представления данных, необходимость автосохранения, создания резервных копий, масштабирования подписей отметок, характер отображения элементов и пр.

Свойства проекта (см. Приложение 2, б) определяют типы используемых инструментов (приборов), их постоянных и способ вычисления вертикального угла, параметры планшетной и координатной сетки, описание проекта, используемую систему координат, точностные параметры геодезических построений, перечень поправок, учитываемых в процессе предварительной обработки и др.

Часть этих свойств используется в качестве параметров отображения, другая часть - для расчета допустимых ошибок геодезических построений, третья определяет перечень вводимых в результаты непосредственных измерений поправок и т.п.

Ввод исходных данных может быть выполнен путем импорта файлов с данными измерений в форматах электронных тахеометров; прямого импорта данных непосредственно с тахеометра ЗТа5 или ввода текстовых файлов определенной пользователем структуры. Корректная интерпретация вводимой информации обеспечивается соответствующими настройками.

Результаты измерений считываются из памяти электронного тахеометра (регистратора) и переносятся на диск с помощью стандартной утилиты Windows HyperTerminal или стандартных программ - конвертеров, поставляемых с электронным регистратором. После этого осуществляется их импорт в систему, в процессе которого выполняется: определение формата представления данных; предварительный их просмотр с целью выявления и исправления возможных ошибок; настройка общих параметров импорта, состав которых определяется типом измерительного прибора, и особенностей используемой системы кодирования; расшифровка и обработка данных в программе.

Параметрами импорта являются условия для автоматического определения формулы вычисления вертикального угла, форма представления координат пунктов, необходимость направления данных в соответствующие таблицы журнала Измерения (см. Приложение 1, а) для визуализации и др.

Импорт текстовых файлов выполняется по настраиваемым пользователем шаблонам. Подготовка таких файлов может быть выполнена с использованием позиционных, дескрипторных форматов или форматов с разделителями. Специфика импорта описана в эксплуатационных документах системы.

Все импортированные или введенные с клавиатуры данные попадают в табличные редакторы, отображаются в графическом окне (см. Приложение 1, а) и доступны для редактирования и документирования. Содержание таблиц определяется характером помещаемой в них информации, в частности:

-таблица Пункты ПВО содержит данные о каждом пункте планово-высотного обоснования: его идентификатор (имя), плановые координаты, высоту, тип, статус и отношение к рельефу

-таблица Дирекционные углы содержит измеренные дирекционные углы и необходимые для установления веса данные о точности в виде класса (разряда) сети;

-таблица Теодолитные ходы содержит общую информацию о каждом звене и измерениях на каждом пункте этого звена.

-таблица Измерения содержит описание станций и данные о выполненных с них измерениях (в том числе о температуре, давлении и влажности); активизация строки с именем станции меняет содержание информации в ее нижней части. Состав данных может быть изменен с помощью переключателей ПВО, Тахеометрия и др.

Вычислительная обработка данных

Собственно вычислительная обработка результатов полевых измерений включает предварительные и редукционные вычисления (определение данных, отнесенных к определенной проекции и плоскости: углов, длин линий, превышений и др.), анализ их качества с целью локализации и устранения грубых ошибок, уравнительные вычисления с оценкой точности неизвестных и их функций, обработку материалов тахеометрической съемки и пр.

Управление обработкой данных осуществляется с помощью команд выпадающего меню (см. Приложение 3, а) и иконок инструментальной панели.

Предварительная обработка предшествует уравнительным вычислениям, поскольку включает:

-расчет средних значений направлений, горизонтальных проложений, вертикальных углов и превышений, контроль соблюдения технологических допусков, установленных для соответствующего класса измерений;

-распознавание теодолитных и нивелирных ходов, выявление избыточных измерений, создание перечня исходных и определяемых пунктов, формирование топологии сети обоснования;

-учет поправок за атмосферное влияние, компарирование, кривизну Земли и рефракцию, а также редукционные вычисления;

-расчет предварительных (рабочих) координат пунктов;

- формирование промежуточных протоколов и отчетных документов.

Для редукции расстояний и направлений используются строгие формулы

пригодные для решения соответствующих задач на 100 км и более, что снимает все ограничения на область применения программы. Учет влияния метеорологических условий выполняется по видоизмененной формуле:

где , м/с;

- эффективная длина используемой в дальномере волны света (мкм), учитывающей возможности современных измерительных приборов и используемую ими длину волны электромагнитных колебаний.

В процессе предобработки данных осуществляется автоматическая сортировка информации по типам геодезических построений и измерений.

С этой целью используется информация о классах точности измерений, наличие прямых и обратных измерений, однородность программы измерений и иные признаки, с помощью которых из общего потока измерений, импортированных из файла электронного регистратора, программой выделяются теодолитные, тахеометрические, нивелирные ходы др. По результатам предварительной обработки создается:

- Ведомость предобработки (средние значения расстояний, направлений и класс точности измерения для каждой станции и пункта наведения планово-высотного обоснования, включая теодолитные ходы);

- Ведомость линий и превышений (значения расстояний и превышений в прямом и обратном направлениях, их средние значения, разности двойных измерений и средние квадратические ошибки для каждой станции и пункта наведения планово-высотного обоснования);

- Ведомость редуцирования линий (значения измеренных линий и учтенных поправок, в том числе редукционных);

- Ведомость редуцирования направлений (значения измеренных направлений и учтенных поправок, в том числе редукционных).

Локализация ошибочных данных в программе является одной из наиболее ответственных задач программы и выполняется методами анализа, трассирования и выборочного отключения.

L1-анализ основан на использовании методов линейного программирования для минимизации целевой функции:

(1)

где z представляют собой левые части уравнений поправок, то есть

zi = ( ), причем, af Ьг с - частные производные по соответствующим неизвестным. Минимизации L -нормы, представляемой выражением (1), позволяет выделить участок сети, ход или даже отдельное измерение, содержащее грубую угловую, линейную или высотную ошибку [2]. Надежность локализации ошибки определяется числом избыточных измерений в сети.

Настройки параметров Ll - анализа (см. Приложение 3, б) определяют тип измерений, пороговые значения угловых, линейных и высотных ошибок и позволяют управлять в процессе уравнивания балансом весов угловых и линейных измерений, определяющим соотношение весов угловых и линейных измерении.

Это дает возможность имитировать безошибочность измерения расстояний (при малом весе угловых измерений) или безошибочность углов (при малом весе линейных измерений). Анализ поправок к углам и к расстояниями часто помогает выделить грубые ошибки.

L1-анализ считается наиболее эффективным для линейно-угловых сетей. По результатам его выполнения формируются соответствующие ведомости, содержащие превышающие заданные в настройках пороговые значения.

Технология проектирования включает следующие операции:

- загрузку привязанной и трансформированной в нужную систему координат растровой подложки;

- размещение на растровой основе проектируемых пунктов, исходя из условий местности и опыта выполнения аналогичных работ;

- установление априорных значений средних квадратических ошибок линейных и угловых измерений для соответствующих классов точности проектируемой сети;

- ввод набора линейных и угловых измерений (их значения не используются и могут быть произвольными), определяющих топологическую структуру сети, с указанием класса точности;

- настройку параметров уравнивания (см. Приложение 3, в), выполнение предобработки и уравнивания сети;

- анализ результатов уравнивания сети (в первую очередь — средних квадратических ошибок положения пунктов, размеров и ориентации эллипсов ошибок) и, при необходимости, ее оптимизация удалением, отключением существующих или добавлением новых угловых и линейных измерений, изменением класса точности измерений, изменением баланса весов угловых и линейных измерений;

- повторная предобработка и уравнивание сети;

- при необходимости — расчет данных для выноса проекта положения пунктов в натуру.

Операции повторяются до получения нужного результата; в итоге будет получен конкретный проект сети, построенный с учетом реальных условий местности. Вынос в натуру подготовленного таким образом проекта требует проверки видимости по всем направлениям.

Расчетные задачи включены в программу как часть математического обеспечения, встречающихся в практике инженерно-геодезических работ. К числу таких задач отнесены:

-вычисления расстояния и дирекционного угла для пары точек или цепочки точек (решение обратной геодезической задачи на плоскости);

-вычисления угла по координатам трех точек;

-вычисления средней квадратической погрешности взаимного положения пары точек;

- решения обратных геодезических задач для выноса проекта в натуру;

- обработка контрольных определений координат;

- перевычисление координат.

Обработка данных завершается выводом на печать и средства графического отображения различных каталогов, отчетов, ведомостей, графических документов (схем, планшетов) и экспортом результатов обработки в форматах MapInfo (MIF/MID), ArcView (SHP), AutoCAD (DXF) или внутренних форматах комплекса CREDO (TOP/ABR, CDX и др.).

Для использования полученных данных другими программами комплекса CREDO достаточно сохранить проект [5].