Построение цифровых моделей местности на основе полевого сбора топографической информации

     Съемку  контуров, объектов местности и рельефа выполняют относительно точек съемочного обоснования.  Места постановки реек в характерных точках местности  называют  пикетами. Пикеты на местности выбирают с таким расчетом, чтобы по ним на плане можно было изобразить  предметы и контуры местности, а также рельеф. Пикеты, предназначенные для определения только элементов ситуации, называют контурными, а для съемки рельефа – орографическими.  Перед началом съемки проводят осмотр местности, определяют характер и структуру рельефа, намечают положение съемочных пикетов на местности. Контурные пикеты выбирают с учетом отображения объектов и элементов ситуации местности (сооружений, построек, дорог, просек (их поворотов и пересечений, рек, озер, ЛЭП, мостов, шлюзов, колодцев, отдельно стоящих деревьев и т. д.). Орографические  пикеты  выбираются на  всех  характерных точках и линиях рельефа: на вершинах и подошвах холмов,  на  дне  и  бровках котловин, лощин, оврагов, на водоразделах и хребтах, в местах изменения крутизны скатов. Съемку предметов, контуров и рельефа местности производят полярным способом,  вертикальные  и  горизонтальные  углы  измеряют  при  одном положении  вертикального круга (обычно КЛ), расстояния до пикетов определяют нитяным дальномером.

     Работу  на станции при съемке ситуации и  рельефа выполняют следующим  образом:

1. устанавливают прибор в рабочее положение над точкой теодолитного хода. Измеряют высоту прибора i при помощи рейки и отмечают ее на рейке и записывают в журнал тахеометрической съемки;
2. ориентируют горизонтальный круг: совмещают ноль лимба с нулем алидады горизонтального круга, винтами лимба и зрительной трубы визируют на начальное направление. Закрепляют лимб и открепляют алидаду;
3. на установленную рейку визируют и определяют расстояние до рейки по дальномерным штрихам дальномера;
4. наводят средний горизонтальный штрих сетки нитей на высоту прибора i, отмечают на рейке, и берут отсчет по горизонтальному и вертикальному кругу. Отсчет по горизонтальному кругу – горизонтальный угол;
5. в ходе тахеометрической съемки заполняют журнал – дальномерное расстояние, горизонтальный и вертикальный угол.

     Параллельно с записью данных в журнале  для каждой станции ведут абрис – схематический чертеж, на котором зарисовывают на глаз снимаемую ситуацию и рельеф. [4]

     Камеральные работы при тахеометрической съемке включают: проверку полевых журналов, вычисление плановых координат точек  тахеометрического хода, вычисление отметок пикетов, построение топографического плана местности.[4]

     На  основании полученных отметок высоты точек тахеометрического хода и  данных превышений между ними и соответствующими пикетами вычисляют отметки высот каждого пикета. Для вычисления используют следующие формулы:

1. угол наклона υ=КЛ-МО;
2. горизонтальное проложение S=dcos²υ, где d- дальномерное расстояние;
3. превышение пикетов h=stgυ+i­υ;
4. высотная отметка пикета H=H_ст+L. [2]

     По  окончании вычислений приступают к  графической обработке полученных материалов.

     Для нанесения на планшет пикетных точек  используют круговой тахеометрический транспортир. Установив транспортир  на съемочной точке, совмещают его  нулевой диаметр с линией хода, по которой проводилось ориентирование лимба прибора, и намечают на окружности направление на пикетных точках. По этим направлениям откладывают соответствующие горизонтальные проложения и получают положение пикетных точек. Возле точек ставят их номер и отметку. [4]

     После нанесения пикетных точек приступают к проведению горизонталей методом графического интерполирования. Оно выполняется по направлениям ската, отмеченным в абрисе.

     После завершения интерполирования, точки  с однозначными отметками соединяют  в начале схематично, а затем проводят так называемую укладку горизонталей – сглаживают угловатость, уточняют положение горизонталей по всем направлениям с тем, чтобы на скатах одинаковой крутизны расстояние между ними были равны. Окончательное оформление плана проводится в соответствии с принятыми «Условными знаками для топографических планов масштаба 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500». [4]

     1.4. Цифровая модель местности 

     Сущность  и содержание топографических работ  определяет метод моделирования, при котором данному реальному физическому объекту – местности – ставится в соответствии некоторый объект, называемый моделью. С позиции топографо-геодезического производства эти модели представляют собой некоторую информационную систему свойств местности и могут быть как моделями различных совокупностей объектов, начиная от аспектов набора объекта (гидрография, растительность и др.) и кончая моделью всей системы объектов   (местности). [2]

     Расширение  области применения цифровых моделей  местности (ЦММ), принятие ЦММ в качестве информационной основы автоматизированного  картографирования и информационных систем накопления топографической информации в банках данных определили сущность ЦММ как совокупности информации обо всех элементах местности – рельефе, ситуации, топографических объектах. [2]

     ЦММ ориентирована на отображение топографических  свойств местности. Следовательно, ЦММ – топографическая модель, которая содержит топографическую информацию.

     Важной  особенностью ЦММ является наличие структуры в виде упорядоченного множества точек или чисел, совокупности взаимосвязанных точек и элементов. Также можно отметить ряд свойств ЦММ, которые обеспечивают решение топографических и инженерных задач: адекватность модели исходному объекту – местности, непрерывность, точность, однозначность и реальность модели.

     ЦММ является первичной моделью местности.

     Базовым понятием цифрового картографирования является «цифровая (топографическая) модель местности». Составными частями ЦММ являются «цифровая модель рельефа» и «цифровая модель ситуации». Следующими по уровню детализации будут «цифровая модель топографической поверхности» и «цифровая модель топографического объекта ». [2]

     Исходя  из того, что топографическая ЦММ является базовым понятием цифрового картографирования местности, и определяется ее принципиальная сущность: содержание модели составляет топографо-геодезическая информация; модель представляет собой некоторую систему данных, поэтому характеризуется определенной структурой; модель обладает рядом свойств и может быть описана набором параметров; модель создается по средствам сбора и преобразования топографической информации по определенным математическим законам в соответствии с некоторым алгоритмом.

     ЦММ можно представить в виде сочетания абстрактной математической модели  с интерпретацией этой модели на конкретной предметной области. Абстрактная математическая модель представляет собой конечное множество переменных и констант с явно заданными отношениями, т.е. может рассматриваться как некоторая знаковая система с конечным набором символов и строго определенными правилами оперирования этими символами. Интерпретацию модели можно понимать как установление соответствия между символами и отношениям абстрактной модели и реальными данными, т.е. как процесс наполнения некоторой математической схемы фактической информацией. Т.о. содержание ЦММ составляют некоторая служебная информация, формально отображающая абстрактную математическую модель местности, и интерпретирующая эту модель топографическая информация о топографических свойствах местности. [2]

     Служебная информация – совокупность понятий  и данных, характеризующих содержание и свойства ЦММ: заданные признаки топографических  свойств местности; степень абстрагирования и детализации съемки ситуации и рельефа (масштаб, точность и т.д.); систему идентификации топографических элементов (номер точки, название участка); математическую основу (систему координат и высот). Т.о. служебная информация не зависти то свойств конкретной местности и характеризуется только «модельными» представлениями о ней.

     Топографическая информация включает в себя комплекс формализованных сведений об элементах  местности, полученных геодезическими и фотограмметрическими  методами.

     В состав ЦММ входят модели самостоятельных элементов местности. Рассмотрим модели, начиная с последнего уровня детализации – модели точек.

     Модель  точки характеризуется самым простым содержанием и структурой. В большинстве случаев реализаций это двухмерный (для точек контуров) или трехмерный (для точек поверхности) вектор.

     Модель  контура представляет собой некоторую структуру элементарных дуг и (или) линий отрезков, заданных набором моделей точек местности, связанных некоторыми отношениями.

     По  характеру распределения точек все модели топографических поверхностей можно отнести к четырем типам:

• геометрически упорядоченная (регулярная) модель, в которой поверхность задана точками, являющимися в плане вершинами геометрически правильных фигур;
• геоморфологически упорядоченная (аналоговая) модель, содержащая точки, расположенные на структурных линиях, на горизонталях, в местах локальных экстремумов поверхности (характерные точки поверхности);
• полурегулярная модель, представляющая собой комбинацию первых двух типов моделей;
• хаотическая (случайная) модель, в которой поверхность задана точками, расположенными произвольным образом.

     Модели  местного предмета (все расположенные  на местности объекты и как  естественного, так и искусственного происхождения) являются описанием  картографируемого объекта, создающим понятие (код), идентифицирующий вид объекта, и совокупность свойств этого объекта.

     Модель  топографического объекта представляет собой совокупность модели контура и модели местного объекта, причем в качестве объекта здесь могут выступать как объекты ситуации, так и объекты рельефа, образующие отдельные его формы.

     Выделяют  три формы модели объекта:

• площадная модель, отображающая пространственное положение объекта линий его контура;
• линейная модель, отображающая положение объекта линий симметрии контура;
• точечная модель, отображающая положение объекта точкой «центр тяжести» контура.

     ЦММ имеет определенную структуру. Соответственно объектному подходу, где в качестве информационного ядра ЦММ приняты модели топографического объекта и топографической поверхности, в ЦММ выделяют пять уровней.

     Первый  уровень иерархии ЦММ соответствует  элементарным информационным частям моделей  топографического объекта и топографической  поверхности – моделям точек  контуров и поверхности.

     На  втором уровне абстрагирования ЦММ представляет совокупность цифровых моделей контуров ситуации и отдельных форм рельефа, цифровых моделей самих местных предметов и форм рельефа, а также системных параметров, определяющие соответствие контуров предметам ситуации и формам рельефа.

     Третий  уровень описания ЦММ содержит цифровые модели ситуации и рельефа местности, модели топографической поверхности  и объединяющие их параметры для  ситуации и для рельефа. [2]

     Четвертый уровень иерархии моделей ЦММ  составляют цифровые модели ситуации и рельефа. Объединение их в соответствии с системными параметрами (единая система координат, одна степень подробности отображения рельефа) образует последний, пятый уровень абстрагирования цифровую модель местности. [2]

     В соответствии с рассмотренным содержанием и структурой ЦММ алгоритм моделирования местности можно представить совокупностью процессов сбора и последовательного обобщения топографической информации от исходных данных до ЦММ. Анализ содержания информации по степени ее обобщения позволяет представить информационные массивы моделирования в виде четырехуровневой системы:

1. уровень 1 – съемочная информация, характеризующая отдельные свойства элементов местности, формирующаяся в процессе топографической съемки;
2. уровень 2 – информация, характеризующая простые элементы местности (объекты наблюдений) и представляющая собой упорядоченную совокупность наблюдаемых свойств этих элементов;

3. уровень 3 – информация, характеризующая сложные элементы местности (объекты съемки) и представляющая собой совокупность свойств этих элементов, систематизированных в пределах каждого снимаемого элемента;

4. уровень 4 – информация,  характеризующая местность (объект картографирования) и представляющая собой совокупность всех отображаемых при съемке совокупность местности, упорядоченных в пределах заданного участка картографирования.