Понятие о цифровых моделях местности

В настоящее время широко применяется математическое опи­сание рельефа и ситуации в виде числовых и математических моделей, которые используются в компьютерных системах сбо­ра, регистрации и обработки данных о местности и их использо­вании в технологиях системного и автоматизированного реше­ния многообразных инженерных задач и проектирования раз­личных видов сооружений.

Цифровой моделью местности (ЦММ) называют совокупность точек местности с известными координатами х_i, у_i, Н_i и различ­ными кодовыми обозначениями, предназначенными для замены реальных геометрических форм, изображающих на планах зем­ные объекты, другими геометрическими формами, которые соот­ветствуют математическому языку ЭВМ. Например, кривые ли­нии контуров и горизонталей заменяются ломаными. Такие за­мены называются аппроксимациями. ЦММ составляются для рельефа, ситуации, почвенно-грунтовых, инженерно-геологичес­ких, гидрологических, метеорологических, технико-экономичес­ких и других характеристик местности. Информационная емкость ЦММ, как правило, значительно больше информационной емко­сти самого подробного плана или карты. Это значит, что на маг­нитных носителях информации записано значительно больше разнообразных данных, чем можно показать в графической фор­ме на топографическом чертеже. Математические выражения, в которые подставляются данные ЦММ для решения конкретных инженерных задач на ЭВМ, называются математическими мо­делями местности (МММ). На базе общей ЦММ можно разрабо­тать несколько МММ различного назначения, например для со­ставления продольного профиля земной поверхности по оси трас­сы, профилей поперечников, инженерно-геологических разрезов и т.д. Указанные виды МММ используются при автоматизиро­ванном проектировании дорог и других объектов протяженного вида. Автоматизированное проектирование ведется на уровне компьютерных систем автоматизированного проектирования (САПР) с получением ЦММ и графических данных крупномасш­табных планов того же участка или полосы местности.

Эффективность перехода от графического (планы, профили, разрезы) моделирования местности к цифровому и математичес­кому зависит от возможностей современной геодезической тех­ники, обеспечивающей автоматизацию нивелирных работ и то­пографических съемок с получением данных о плановых и вы­сотных координатах точек объектов, форме контуров и других характеристик, записанных на носителях информации. К таким приборам относятся автоматизированные нивелиры, электронные тахеометры, в которые встроены специализированные ЭВМ и устройства записи результатов измерений. Такие же возможнос­ти заложены в современные приборы для обработки аэрофотото­пографических и космических снимков.

Виды цифровых моделей местности. Цифровые данные о местности записывают для точек, которые расположены либо в вершинах правильных фигур, либо распределяются иными спо­собами. Применяемые виды ЦММ подразделяются на несколько групп.

Регулярные ЦММ получаются когда точки модели совмеща­ются с узловыми точками правильных геометрических сеток (тре­угольных, прямоугольных, шестиугольных), которые как бы на­кладывают на поверхность аппроксимации (рис.6, а, б). Та­кие модели применяются для местности с равнинным рельефом.

Нерегулярные ЦММ более разнообразны. К ним относится система точек на магистралях и поперечниках (рис. 6, в). Данная конкретная модель получается в результате съемки местности соответствующим способом (см. т.2.5).

Иной вид нерегулярной ЦММ создается при использовании крупномасштабных карт и планов, когда массив определяемых координатами точек размещается вдоль горизонталей через за­данные интервалы (рис. 6, г). Данные регистрируются с помощью специального прибора - дигитайзера при перемещениях его визира вдоль горизонтали плана.

Рис. 6. Геометрические виды цифровых моделей местности: а, б - в вершинах прямоугольных и треугольных сеток; в — на поперечниках к магист­ральному ходу; г-на горизонталях;

д — на структурных линиях; е — статистические; ж —для описании контуров

Структурные ЦММ могут создаваться, например, по дан­ным тахеометрической съемки (рис. 6, д). Структурные ли­нии соединяют точки, между которыми намечаются горизон­тали.

Статистические ЦММ основаны на определении координат точек, случайно выбранных на поверхности местности (случай­ное распределение близко к равномерному (рис. 6, е).

Контурные ЦММ относятся к простейшим (рис. 6, ж). В них определяются плановые координаты контурных точек мест­ности, задающих положение прямых отрезков линейных объек­тов ситуации.

Методы получения данных для формирования ЦММ осно­ваны на результатах измерений на местности или на обработке материалов аэрофотосъемки, а также крупномасштабных пла­нов.

К измеренным на местности относятся планово-высотные ко­ординаты точек, полученные в результате тахеометрической съем­ки и нивелирования поверхности разными способами. Наиболее эффективна тахеометрическая съемка с применением электрооп­тических тахеометров с регистрацией данных на магнитных но­сителях для последующего ввода в ЭВМ. Данные, полученные непосредственно на местности, наиболее точные.

При использовании для построения ЦММ существующих то­пографических планов и карт, а также для аэрофотоснимков ана­лизируют их точность, и если она недостаточна, то переходят к измерениям на местности.

Необходимая точность цифровой модели выбирается с учетом требуемой точности решаемых на ней инженерных задач. В чис­ле общих требований: погрешность планового положения конту­ров ситуации не должна выходить за пределы 1 мм в масштабе плана; погрешность высот при моделировании рельефа не долж­на выходить за пределы 1/4 высоты сечения рельефа для рав­нинной местности и 1/2 высоты сечения в пересеченной.

В равнинной местности среднее расстояние между точками исходного массива (см. рис. 6, а, б, в, г) принимают равным 20-30 м, в пересеченной - 10-15 м.

Инженерные задачи, решаемые с использованием цифро­вых и математических моделей. В САПР объектов строитель­ства с применением ЦММ и МММ получены методы решения многих инженерных задай, которые прежде разрабатывались практически вручную:

- выбор оптимального положения на местности автомобиль­ных дорог, каналов;

- получение продольного и поперечных профилей земли по оси проектируемого сооружения линейного вида (дороги, кана­ла, газопровода и т. д.);

- получение геологических разрезов вдоль трассы сооруже­ния линейного вида;

- проектирование системы придорожного поверхностного во­доотвода (кюветы, водоотводные канавы и др.);

- проектирование искусственного рельефа на площадках застройки и определение объектов земляных масс и их переме­щения;

- моделирование автомобильных дорог, их земляного полот­на и согласование дорожного сооружения с окружающим ланд­шафтом для обеспечения зрительного восприятия трассы как гармонично вписанной в прилегающий ландшафт.

Решаются многие другие задачи. Развитие методов цифрово­го и математического моделирования местности предопределяет соответствующие изменения и прогресс в технологии методов изыскания и проектирования в строительстве.

Составление топографического плана

Составление плана по материалам тахеометрической съемки. На основу плана наносят координатную сетку, пункты съемочного обоснования по их координатам. С помощью геодези­ческого транспортира, масштабной линейки и циркуля-измери­теля на план наносят съемочные пикеты по их полярным коор­динатам — горизонтальному углу β _i и расстоянию d_i. С этой же целью пользуются специальными круговыми транспортирами с линейкой для измерения расстояний на плане. Не прочерчивая направления на плане, карандашом отмечают съемочный пикет и рядом подписывают значение высоты (отметки) этого пикета. Сверяясь с абрисом, условными знаками наносят ситуацию и проводят горизонтали.

Рис. 7. Нанесение на план точек по координатам

Нанесение горизонталей на план можно выполнить с помо­щью прозрачной палетки, например листа восковки с прочер­ченными на нем через равные промежутки параллельными ли­ниями (рис. 7, а), которые подписывают отметками горизонта­лей для данного участка плана. В нашем примере подписи ли­ний соответствуют высоте сечения h_c = 0, 5 м. Палетку кладут на план так, чтобы точка А расположилась между линиями палет­ки 68 и 68, 5 (см. рис. 8, а) пропорционально своей отметке 68, 37 = 68, 4 м, прижимают палетку в точке А заостренным пред­метом (иглой, карандашом) и поворачивают в положение, при котором точка В располагается между линиями 70 и 70, 5 про­порционально своей отметке 70, 15. Точки пересечения отрезка АВ линиями палетки 1, 2, 3, 4 переносят на план (см. рис. 8, б) — через эти точки (следы) пройдут горизонтали. Палетку повора­чивают вокруг точки А в положение, при котором точка С распо­лагается между линиями 70 и 70, 5 пропорционально своей от­метке 70, 25 (см. рис. 8, а), и на отрезке АС (см. рис. 8 б) отмечают точки 5, 6, 7, 8 — следы горизонталей, аналогично на­ходят след 9 на линии АD и следы горизонталей на линии СD. Затем через одноименные по высоте следы проводят горизонтали — плавные линии, которые местами дополняют подписями их вы­соты и бергштрихами.

Рис. 8. Нанесение на план горизонталей: а — палетка; б — фрагмент плана

Вычерчивание топографического плана. Составленный ка­рандашом план тщательно проверяют, после чего вычерчивают тушью, соблюдая образцы начертания условных знаков поясни­тельных надписей, оформления рамок и размещения зарамочных надписей. На практике применение находят готовые услов­ные знаки и типовые надписи, которые переносят на план с про­зрачной основы под давлением, например, шариковой ручки.

Пояснительные надписи и цифровые данные располагают параллельно северной (южной) стороне рамки, горизонтали на­носят коричневой тушью. На топографическом плане, составлен­ном по данным нивелирования поверхности, не пока­зывают ни сетку квадратов, ни магистрали, ни поперечники, за исключением тех случаев, когда эти данные предусмотрены за­данием на съемку и нужны для составления проектов верти­кальной планировки территории и подсчетов объемов земляных работ.