ИНЖЕНЕРНО ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ

ИНЖЕНЕРНО ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ. Традиционные потребители ТГИ (проектировщики генплана и объектов транспорта) эффективно применяют существенно изменившиеся, основанные на методах цифрового моделирования системы автоматизированного проектирования.

Таким образом, принципиально изменился подход к основным результатам инженерных изысканий и проектирования. Это выражается в переходе от «бумажного» результата (чертежи, планшеты) к модели, т. е. к созданию цифровой модели местности (ЦММ) как основного результата инженерно-геодезических изысканий; созданию объемной геологической модели (ОГМ) как результата инженерно-геологических изысканий; созданию и оценке цифровой модели проекта (ЦМП) как результата проектирования (см. рисуно 4). Рисунок 5 – ЦММ, ОГМ и ЦМП – основа САПР и ГИС-проектов Важной задачей инженерно-геодезических изысканий при этом становится обеспечение адекватности создаваемой ЦММ физическому состоянию местности, необходимой и достаточной проектировщику для принятия проектных решений при создании ЦМП. Такая адекватность, кроме соблюдения норм инженерно-геодезических изысканий (точность, состав, полнота данных), особо требует: — обеспечения соответствия цифровой модели рельефа ее топографической реальности; — пространственного представления в модели подземных и надземных коммуникаций; — многослойности модели рельефа и ситуации с заданным, нужным проектировщику, распределением данных по иерархически организованным слоям; — информационной насыщенности объектов модели сведениями, необходимыми для принятия проектных решений и согласований.

Использование ЦММ на этапах инженерных изысканий и проектирования определяет характер специальных требований не только к содержанию ЦММ, но и к тому программному обеспечению, которое применяется для ее создания и последующего использования.

Одним из основных требований к программному обеспечению является технологическая связанность программного комплекса.

В идеальном варианте изыскатель и проектировщик должны работать с единым набором данных в единой программной среде.

Программный комплекс должен состоять из отдельных систем (модулей), обеспечивая формирование оптимальных по функциональности и стоимости рабочих мест и технологических линий, с учетом организационной структуры предприятий и временной последовательности выполнения отдельных видов работ. Каждый модуль должен обладать возможностью импорта данных и экспорта результатов в различные форматы.

Это позволяет эксплуатировать каждую из систем комплекса либо самостоятельно, встраивая ее в уже сложившуюся технологию, либо совместно с другими системами комплекса, используя достоинства сквозного технологического процесса. Во втором варианте единая (локальная или корпоративная) база данных проектов для всех систем комплекса обеспечивает целостность, своевременную актуализацию и высокую эффективность инженерных изысканий и проектирования.

Программное обеспечение, предназначенное для формирования ЦММ, должно обеспечивать: — эффективную технологию сбора и обработки ТГИ, получаемой при наземной топографической съемке, которая в настоящее время является основным видом работ при инженерных изысканиях для рабочего проектирования; — использование максимально широкого спектра источников топографической информации для создания и обновления ЦММ: — наземной топографической (площадной или полосной) съемки, — традиционных методов линейных инженерных изысканий, — данных, импортируемых из систем обработки результатов аэросъемки и космических снимков высокого разрешения, — цифровых картографических материалов общего пользования, — существующих графических топографо-геодезических и картографических материалов на бумажных, пластиковых и других носителях; — управление большими объемами данных в ЦММ; — генерализацию отображения топографической информации; — мониторинг и обновление ЦММ территории.

Эффективность применения цифровых технологий в наибольшей степени проявляется при их использовании на всех этапах производственного процесса не только в одной организации, но и в смежных предприятиях отрасли или региона.

Например, распространенной практикой в дорожной и нефтегазовой отраслях стало проведение топографической съемки местности с помощью электронных геодезических приборов с последующей камеральной обработкой данных и построением цифровой модели местности непосредственно в полевых условиях.

Полученная ЦММ затем передается проектировщикам своей или смежной организации для проектирования, причем, часто оперативно, не дожидаясь завершения выполнения всего объема инженерных изысканий. Результаты проектирования в электронном виде поступают в строительную организацию, которая самостоятельно готовит и передает необходимые разделы проекта в цифровом виде на строительную площадку своим подразделениям. На их основе выполняется строительство и исполнительные съемки. Полученная таким образом исполнительная документация в электронном виде передается в эксплуатирующую организацию.

Набор таких электронных моделей объектов служит информационной базой для построения отраслевых геоинформационных систем (ГИС) и решения управленческих задач. Для реализации подобной технологии в регионе необходимо сосредоточить цифровые модели местности и объектов данной территории в едином органе, например, в управлении архитектуры и градостроительства города. Преимущества технологии очевидны: изыскательские и проектные организации, получая из управления архитектуры и градостроительства города уже имеющиеся цифровые модели, существенно экономят время и средства на выполнение топографической съемки текущих изменений и корректировку существующих моделей, дополняя данные геолого-геодезической службы цифровыми моделями новых объектов.

Управление архитектуры и градостроительства города, владея полным набором данных, с высокой степенью достоверности и качества ведет топографические и дежурные планы подземных коммуникаций, застройки, отводов земель, красных линий и др. Однако реальный эффект от применения средств автоматизации в России и других странах СНГ еще далек от желаемого уровня.

Реализованные, и даже иногда работающие ГИС-проекты, к сожалению, не всегда обеспечивают непрерывность обновления и использования цифровых данных. Несмотря на наличие в геоинформационных проектах больших объемов отсканированных и оцифрованных крупномасштабных топографических материалов, реальное использование их при инженерных изысканиях и проектировании по-прежнему сводится, в конечном счете, к традиционным «бумажным» технологиям.

В лучшем случае применяемая компьютерная техника имитирует «бумажный» процесс. Основные причины такой ситуации, на наш взгляд, следующие. Недостаточно обоснованный выбор программной платформы (среды), без учета инженерных (проектно-изыскательских) аспектов в созданных на ее основе программном обеспечении и цифровых технологиях. Как правило, в качестве такой платформы выбирают распространенные геоинформационные системы, которые создавались для представления и последующего анализа информации в электронном (цифровом) виде. В них отсутствует ряд изначально заложенных в программную платформу геометрических примитивов, используемых при проектировании, нет адекватного (с точностью, необходимой для инженерных целей) моделирования рельефа.

Узко сформулированные и реализованные в ГИС-проектах цели, полностью не учитывают перспективы и возможности цифровых технологий.

Муниципальные органы или корпорации, финансирующие такие проекты, ставят перед разработчиками проектов, прежде всего, свои цели: управление, землеустройство, учет недвижимости и т. д. Отсутствие программных средств и организационно-правовых механизмов ведения крупномасштабных городских цифровых дежурных планов не дает возможности постоянно вносить текущие изменения, происходящие на урбанизированной территории, по результатам исполнительных съемок.

Цифровые модели местности, создаваемые при помощи таких программных средств (без адекватной модели рельефа, пространственного представления коммуникаций и др.), не обеспечивают изыскателей и проектировщиков сведениями, соответствующими их возможностям и потребностям. Немаловажным фактором являются и психологические причины, влияющие на эффективное применение средств автоматизации. Это, прежде всего, неготовность и нетребовательность основных потребителей крупномасштабной топографической информации к качеству предоставляемых им материалов. Зачастую, красивая картинка плоского (двумерного), разбитого в линейной структуре слоев топографического плана, на экране компьютера воспринимается проектировщиками как предел совершенства.

Такое отношение заказчиков является дополнительным психологическим и организационным барьером, сдерживающим «ломку» во взглядах изыскателей о необходимости предоставления результатов инженерных изысканий потребителю не столько в виде планшетов или чертежей (даже в электронном виде), сколько в виде ЦММ. Кроме того, в настоящее время отсутствуют программные комплексы, которые обеспечивали бы не только автоматизацию (а точнее механизацию, на что прежде всего обращается внимание) изыскательских, проектных процедур, но и обеспечивали бы принятие эффективных, тщательно проработанных в процессе вариантного проектирования решений.

Комплексность требований к таким программным средствам обуславливает сложность их практической реализации.

Поэтому рынок программного обеспечения предлагает сегодня не так уж много программных средств, полностью отвечающих потребностям цифровых технологий. В основном это зарубежные программы, требующие адаптации к специфике существующих норм и технологий. Это, на наш взгляд, делает затруднительным использование зарубежного ПО в качестве долговременной основы автоматизированного процесса изысканий и проектирования объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства в России и странах СНГ. Последнее, разумеется, не исключает возможности применения отдельных зарубежных программ на локальных участках производственного процесса.

Но актуальной является задача создания и внедрения отечественного комплексного программного обеспечения для удовлетворения профессиональных потребностей изыскателей и проектировщиков стран СНГ. Одним из примеров разработки такого многопланового программного комплекса является постоянно развивающийся комплекс CREDO (СП «Кредо-Диалог»). Разработчики комплекса стремятся максимально учесть описанные выше положения.

Сложности разработки и внедрения программных средств для инженерных изысканий и проектирования не исчерпываются изложенными проблемами. Много сил и времени у разработчиков уходит на удовлетворение таких положений существующих норм и стандартов, которые создавались задолго до появления современной вычислительной и геодезической техники, и во многих развитых странах уже упразднены. Проблем, недостатков и противоречий нормативных документов можно отметить много.

Вот некоторые из них: — строго фиксированные и ориентированные на «ручное» оформление выходные формы текстовой и графической документации; — жестко определяемые нормативными документами технические правила и технологии проведения изысканий и проектирования, не соответствующие возможностям современных технических средств и технологий; — структура топографической информации, выраженная в системе ее классификации и кодирования, правилах цифрового описания картографируемых объектов и явлений, форматах компьютерного представления данных не отвечают требованиям задач автоматизированного проектирования; — в силу узости подходов к базовым элементам геометрии объектов и типам данных существенно затруднена возможность качественного обмена данными между производителями и потребителями информации.

Эти причины иногда приводят к тому, что пользователи выбирают программные средства не по их экономическим, техническим или технологическим показателям, а по возможности удовлетворять формальным требованиям ГОСТ и СНиП. Анахронизмом в наше время должна считаться ситуация, когда изыскательская организация, владеющая цифровыми технологиями, передает ТГИ проектной организации в бумажном виде, на основе которой проектная организация вновь создает ЦММ. Налицо потеря времени и средств, а главное — снижается качество.

Эффективному применению уже имеющихся технологий мешают также ведомственные барьеры и неурегулированные экономические отношения между предприятиями-смежниками.

Очевидно, что усилия поставщиков программного обеспечения должны быть подкреплены соответствующими ведомственными и межведомственными документами, регламентирующими вопросы приема и передачи результатов работы в электронном виде и обеспечивающими: — взаимодействие производителей и потребителей ТГИ, налаживание межведомственного обмена данными в цифровом виде в рамках муниципального образования или корпорации; — расширение возможностей муниципальных и корпоративных ГИС-проектов за счет учета требований потребителей крупномасштабной ТГИ, прежде всего, проектных организаций; — внедрение интеллектуальных отечественных программных средств, учитывающих не только нужды учета и управления, эффектного представления бумажных копий, но и инженерных прикладных задач на основе ЦММ; — создание стандарта на обмен данными по составу ЦММ инженерного назначения; — внесение корректировок в нормативные документы, направленные на представление ТГИ инженерных изысканий в виде ЦММ инженерного назначения.

Эти задачи можно решить только совместными усилиями ученых, сотрудников и руководителей соответствующих федеральных ведомств, разработчиков и пользователей программных средств, общественных профессиональных объединений. 3 КАРТОГРАФИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕСТНОСТИ В настоящее время цифровые технологии служат основой картографического производства.

Это вполне закономерно, так как они имеют реальные преимущества перед прежними технологиями, в которых применялись аналоговые материалы.

В преимуществах цифровых технологий создания картографической продукции давно никого не надо убеждать. Вопрос в том, как полнее использовать эти преимущества. Действительно, в настоящее время основная масса цифровой картографической продукции, за небольшим исключением, представляет на новом качественном уровне существовавшую ранее номенклатуру изделий. Понятно, что такое положение в переходный период было неизбежно и вполне оправдано. Необходимо было привести картографическую информацию к виду, удовлетворяющему требованиям информационных технологии, и при этом сохранить ее для пользования уже сложившимся кругом потребителей.

Сейчас, когда формируются новые запросы потребителей на цифровую картографическую продукцию (3D представления - лишь один из них), встает вопрос о дальнейшей реализации преимуществ, обусловленных цифровой формой топографической информации, и создании предпосылок к дальнейшему развитию картографического производства.

Важные стимулирующие факторы в развитии цифровых технологий в картографическом производстве возможность получения высокоточных съемочных материалов и наличие необходимых мощностей вычислительных средств для их обработки. Следует отметить, что производительность вычислительных средств, объем памяти для хранения цифровой информации пока значительно опережают потребности существующих цифровых технологий и не являются лимитирующим фактором производства. Это открывает путь для создания ресурсоемких цифровых картографических изделий.

Как известно, снимки, получаемые современными оптическими, радиолокационными и лазерными съемочными системами, отличаются рядом важных свойств, характерных для цифровой формы хранения и представления информации. Важнейшие из этих свойств, по-видимому, следующие: - возможность неограниченного тиражирования исходного снимка без потери точности для копий любого поколения; - исключение влияния предварительной обработки снимка на точность и другие потребительские качества изображения; - удобство оперативной передачи снимка по каналам связи.

Данные свойства позволяют распараллелить обработку снимков на произ¬водстве, осуществлять необходимые преобразования (например, цензурирование) и оперативно получать или передавать съемочные материалы. Однако некоторые данные цифровой информации о местности используются еще недостаточно. Речь, в частности, идет об специфических особенностях цифровой информации о местности. Рассмотрим две из них. Так, применение важнейшей картографической характеристики продукции - масштаба - существенно изменилось.

В цифровом картографическом изделии данные не масштабируются. Масштабиро¬вание ведется только при визуализации картографической продукции, при этом используется пакет масштабов, в котором для каждой координатной оси значение масштаба изображения может быть различным. Знаменатель масштаба для цифровых картографические изделий фактически указывает на размер покрываемой территории, согласно стандартной разграфке, и на точность представления местности, соответствующую указанному масштабу топографических карт. Принципиально цифровые модели местности или земной поверхности могут быть не связаны ог¬раничениями масштаба.

Это позволяет в цифровых моделях исключить «обязательность» масштаба, т. е. снять ограничения по объективному составу модели. Цифровая модель земной поверхности для заданной территории при достаточной плотности наблюдений, т. е. соответствующем размере шага дискретизации, может содержать информацию о всех наблюдаемых объектах, как это имеет место при съемке с помощью лазерного сканера.

Ничто не мешает включать при необходимости в состав цифровой модели объекты любого размера. При визуализации будут отобра¬жаться объекты, соответствующие выбранному масштабу визуализации, а более детальное отображение местности может быть опциональным, реализуемым по запросу или команде в интерактивном режиме. Отсутствие ограничений, связанных с масштабом, позволяет иметь в цифровой модели максимально доступный объектовый состав и создавать по требованиям потребителей специальные цифровые картографические изделия.

Другая важнейшая особенность цифровой топографической информации свойство самоидентификации. Для любой точки на местности в качестве идентификатора можно взять ее координаты в используемой координатной системе. Этот идентификатор уникален и, следовательно, может служить как указатель (адрес) в системе хранения информации для доступа к сведениям о заданной точке.

Объем и формат сведений о точке должны быть надлежащим образом регламентированы. В простейшем случае, это, например, значение высоты рельефа. Для произвольной же точки цифровой поверхности местности информация может иметь любой заданный объем. Здесь могут фиксироваться сведения об объекте местности, к которому принадлежит рассматриваемая точка, а при необходимости - управляющие ключи, например указатель об ограничении доступа. К помещаемой на хранение цифровой информации о местности возможен доступ с помощью координатного метода, Эта особенность цифровой топографической информации позволяет организовать естественный, т. е. органически присущий цифровой информации о местности, доступ к ней по идентификатору. Применение координатного метода особенно эффективно при использовании цифровой информации о местности, получаемой лазерными и радиолокационными интерферометрическими средствами.

При реализации координатного метода целесообразно использовать общую для всей рассматриваемой территории систему координат.

Следует заметить, что еще в 80-тт. XX в. В.П. Морозов предложил использовать систему геодезических координат для создания цифровых моделей местности. Накопление и доступ к имеющимся данным с использованием координатного метода возможны для пользователей, применяющих собственную координатную систему, лишь при условии, что между координатной системой пользователя и системой, в которой идентифицирована цифровая информация, существует однозначное преобразование координат.

Рассмотренные особенности цифровой топографической информации могут быть использованы при создании цифровой модели поверхности территории, цифровых моделей рельефа, полей высот территорий с произвольными границами и др. Все эти данные могут быть элементами топографического сегмента геоинформационного ресурса территории. Цифровую модель поверхности территории удобно сохранять как открытую (пополняемую) совокупность наблюдений поверхности, полученных с соответствующих средств (бортовых или наземных), т. е. информацию, содержащую данные о всех объектах местности наблюдаемой поверхности в пределах разрешающей способности средств наблюдения.

При определенной протяженности представляемой территории ее можно рассматривать как цифровой аналог фильма, получаемою при фотосъемке. При этом цифровая модель поверхности территории имеет неоспоримые преимущества перед фильмом. Модель обновляема в любой своей части и пополня¬ема без нарушения существующей структуры.

Кроме того, плотность данных модели может зависеть от сложности формы поверхности представляемой территории. Модель поверхности может создаваться, уточняться и пополняться в течение всего периода ее использования. Намечая реализацию преимуществ цифровых технологий, необходимо позаботиться о техническом обеспечении всего процесса, т. е. о разработке соответствующей технологической платформы. Очевидно, что перспективная цифровая картографическая продукция будет более ресурсоемкой по срав¬нению с существующей.

Это потребует разработки и тиражирования соответствующих программных средств. В связи с этим целесообразно оптимизировать неизбежные расходы. Вероятно, одним из путей оптимизации используемых средств является совершенствование конфигурации технических средств. Типичная производственная конфигурация технических средств создания цифровой картографической продукции в настоящее время пред¬ставляет собой либо одиночный компьютер, либо двухуровневую структуру тина клиент-сервер, где имеются и уровень обработки, и уровень данных.

В данной конфигурации сервер отвечает за хранение данных и через хранимые процедуры выполняет некоторые действия но обслуживанию этих данных. Основная нагрузка приходится на клиентский ком¬пьютер, выполняющий заданный комплекс технологических программ (пользовательское приложение). Недостатки такой конфигурации известны. Это - высокие требования к компьютеру исполнителя работ, необходимость значительного количества экземпляров полнофункциональной операционной системы и одновременного обновления всех экземпляров комплексов технологических программ при их доработке или коррекции. Альтернатива используемой конфигурации - применение серверов и приложений.

Если вынести технологические программы (