Оборудование

SmartStation - интеграция GNSS и оптико-электронных технологий

Идея объединения GNSS систем и тахеометрии не нова. Стенселл [Stansell, 1983] прогнозировал, что к 2000 году появится интегрированное решение, объединяющее традиционное и GNSS оборудование. SmartStation от компании Leica Geosystems стал первым в мире коммерческим продуктом, в котором была реализована идея интеграции GPS и тахеометров. В данной статье содержится описание системы SmartStation и приводятся преимущества, которыми она обладает по сравнению с обычным оборудованием. Тестовый проект показал, что при использовании SmartStation съемка занимает всего 84 минуты, тогда как при использовании традиционного метода передачи опоры съемка выполняется за 135 минут. Экономия времени при использовании SmartStation составила 38%.

Традиционно при съемке использовали теодолит для измерения углов и стальные ленты, либо электронный дальномер для определения расстояний, тем самым определяя координаты одной точки относительно другой, выполняя методику прямой геодезической задачи. Электронные тахеометры позволили объединить угломерный прибор и электронный дальномер. Развитие технологии спутникового позиционирования навело геодезистов на мысль о применении ее в решении производственных задач: GPS измерения в режиме реального времени многократно ускорили некоторые виды работ, позволяя при этом обеспечить необходимую точность. Несмотря на широкое распространение GPS RTK, некоторые специалисты все еще привязаны к традиционным методам съемки ввиду дороговизны и сложности освоения новых технологий. SmartStation — это первая серийная модель прибора, совмещающего в себе тахеометр и спутниковый приемник. Она очень проста в использовании, является экономичным решением для проведения GPS RTK съемки и значительно повышает производительность работ.

Преимущества геодезического оборудования

Со времен ходов полигонометрии и базисных измерений, геодезическое приборостроение прошло большой путь. Современные тахеометры оборудованы электронным дальномером, имеют широкий набор прикладных программ, автоматически наводятся на центр отражателя и позволяют работать одному исполнителю для высокоэффективного проведения разбивки и детальной съемки.
С появлением технологии спутникового позиционирования, размеры и точность измерительных инструментов значительно изменились. Сегодня редко какой приемник не может обеспечить сантиметровый уровень точности в режиме RTK. GPS RTK позволяет вести разбивку и детальную съемку быстро и эффективно. Во многих местах наличие постоянно действующей базовой станции означает возможность работы в реальном времени. То есть, можно просто выйти в поле, соединиться через модем с сетью базовых станций и приступить к выполнению работ. Сети базовых станций становятся все популярнее, поскольку многие государственные учреждения находят их рациональным вложением средств: проще установить несколько постоянно действующих приемников, чем регулярно контролировать сеть наземных пунктов и реперов. К тому же, многие частные компании устанавливают свои станции для коммерческого распространения данных среди растущего числа пользователей.
Несмотря на очевидные преимущества, съемка только тахеометрами или только спутниковыми приемниками имеет свои недостатки. Тахеометрические измерения, в отличие от спутниковых, не зависят от открытости небосвода, но требуют видимости между наблюдаемыми точками. Часто контрольные пункты находятся на удалении от места съемки, а передача координат от контрольного пункта ходом полигонометрии выливается в длительный и трудоёмкий процесс. Именно поэтому для передачи координат к месту проведения работ часто применяется GPS-технология, а уже дальше — тахеометры (особенно в случаях, когда условия на объекте неблагоприятны для спутниковых измерений). Такая схема сложна и задействует несколько переустановок приборов над разными точками. SmartStation позволяет избежать проложения длинных полигонометрческих ходов и многократной установки инструмента, ведь система сочетает в себе и технологию GPS RTK и тахеометр, а значит — предлагает наиболее эффективное решение для большинства стандартных задач.

SmartStation

Серия геодезического оборудования Viva [Leica Geosystems, 2009] объединяет высокопроизводительные тахеометры (TPS), GNSS приемники, полевые контроллеры и ПО. В серии Viva реализована полная интеграция всех компонентов оборудования:
  • Интерфейс пользователя — обеспечение единого интерфейса при работе с тахеометром и спутниковым приемником
  • Базы данных — обеспечение быстрой и простой передачи данных между приемником и тахеометром
  • Элементы питания и зарядные устройства — унификация элементов питания для удобства и снижения стоимости оборудования
  • Программное обеспечение для постобработки — единый программный пакет для совместной обработки всех измерений.

Тахеометр TPS1200+ обеспечивает угловую точность измерений от 1″ до 5″, а расстояний (не более 7,5 км) с точностью 1-3 мм+1,5ppm, в безотражательном режиме (на 500 м и более) 2-4 мм+2ppm. При наличии радиоручки и полевого контроллера (CS10/CS15) автоматизированный тахеометр TPS1200+ позволяет эффективно работать одному исполнителю.
Спутниковый приемник Viva GNSS снабжен функциями SmartTrack и SmartCheck, которые обеспечивают надежность и точность позиционирования. На сегодняшний день TPS1200+ и Viva GNSS — это два гармонично подобранных инструмента для решения самых сложных задач при выполнении работ.
SmartStation — следующий логический шаг в объединении возможностей тахеометра и спутникового приемника. SmartStation — это тахеометр TPS1200+ и приемник Smart Antenna, который устанавливается на специальном адаптере соосно вертикальной оси тахеометра. Когда приемник подключен, управление им осуществляется через панель тахеометра TPS1200+. Получение поправок от базовой станции (при работе в режиме RTK) происходит при помощи коммуникационного устройства, присоединенного к SmartStation (радио, GSM, GPRS, TDMA, CDMA модем), или через Bluetooth™-соединение тахеометра с мобильным телефоном. Работа в режиме RTK позволяет получать координаты точки стояния нажатием лишь одной кнопки. SmartStation обеспечивает точность позиционирования 10 мм + 1 ppm в плане и 20 мм + 1 ppm по высоте даже на удалении до 50 км от базовой станции.

SmartStation позволяет осуществлять привязку следующими способами:

Установка в удобном месте на неизвестную точку с ориентированием на точку с известными координатами;

  • определение координат SmartStation по данным RTK измерений и направлению на один (или больше) опорный пункт. Также можно пересчитать высоту, определенную в режиме RTK по результатам наблюдений на пункт с известной высотой
  • измерения на все доступные точки со станции и переход к другой известной или неизвестной точке стояния
Установка в удобном месте на неизвестную точку с ориентированием на другую неизвестную точку;
  • определение координат SmartStation в режиме RTK и ориентирование на другую неизвестную точку;
  • завершение наблюдений на точке стояния;
  • перенос SmartStation на вторую неизвестную точку и определение ее координат в RTK режиме;
  • ориентирование на предыдущую точку стояния, вычисление исходного направления и обновление результатов;
  • продолжение измерений с текущей точки;
После определения точки стояния тахеометра и исходного направления, при необходимости, можно снять SmartAntenna и использовать ее в качестве подвижного приемника при съемке в режиме RTK.

Варианты съемки

Чтобы лучше представлять возможности SmartStation, обратимся к четырем стандартным видам работ:
  • Топографическая съемка в отдаленных районах; 
  • Съемка границ в сельской местности; 
  • Вынос в натуру на строительной площадке; 
  • Съемка коммуникаций на застроенной территории; 

Топографическая съемка в отдаленных районах

Такие работы зачастую осложняются густой растительностью, которая отрицательно влияет на качество спутниковых измерений. Часто GPS-позиционирование применяется только для привязки к контрольным пунктам до начала основных работ.
Если в радиусе 50 км находится, хотя бы одна базовая станция, транслирующая поправки, координаты точек съемочного обоснования определяются в режиме RTK. Далее эти координаты передаются в тахеометр и учитываются при определении координат и исходного направления на точке стояния. Если же сначала выполняется топосъемка, а после — привязка точек съемочного обоснования — требуется дополнительный шаг: конвертация измерений тахеометра для совместной обработки их со спутниковыми измерениями.
Если используется SmartStation, то прибор просто устанавливается в удобной точке, его координаты определяются в режиме RTK и выполняется засечка на неизвестную точку для задания исходного направления. Координаты следующей точки стояния повторно определяются в режиме RTK — получается, что координаты второй точки стояния определены (измерены) дважды: из тахеометрических и спутниковых наблюдений. Такое количество избыточных данных позволяет, при необходимости, исправить результаты измерений на первой точке.

Преимущества SmartStation:
  • Точки посещаются только один раз; 
  • Нужен только SmartStation, а не два независимых комплекта оборудования; 
  • На съемку затрачивается меньше времени; 

Съемка границ в сельской местности:

На малозаселенных территориях опорные пункты часто находятся на значительном расстоянии друг от друга. Соответственно, при работе только тахеометром создание обоснования требует времени и финансовых затрат. Приходится прокладывать ход от ближайших доступных пунктов сети, в незамкнутом ходе велика вероятность ошибок, а замкнутый ход потребует вдвое больше времени. Если же имеется съемочное обоснование, съемка границ выполняется посредством проложения хода и съёмки характерных мест с точек хода. Если доступны поправки от базовой станции, SmartStation можно установить на любую удобную точку так, чтобы было удобно вести координирование границ. После определения координат точки стояния в режиме RTK, выполняется обратная засечка на удобную точку для задания исходного направления и начинается непосредственно съемка границы.

Преимущества SmartStation:
  • Не требуется тратить время на проложение хода; 
  • Требуется меньше точек стояния; 
  • Меньше временных затрат на съемку; 
  • Достижение постоянной, более высокой точности; 

Вынос в натуру на строительной площадке:

Обычно на строительных площадках нет недостатка в опорных точках, однако ввиду разнообразных препятствий, доступ к пунктам может быть затруднен. Заложенные знаки периодически повреждаются или уничтожаются в процессе работ. Строительная площадка предполагает быструю и качественную работу геодезиста: в проект постоянно вносятся изменения, за короткий промежуток времени требуется вынести большое количество точек. GPS все чаще и чаще применяется при работах в строительстве, часто базовая станция, передающая поправки, устанавливается в офисе компании-застройщика. Разбивка тахеометром на строительной площадке — это длительный и непростой процесс. Обычно координаты точки стояния определяются из засечки. Найти удобную точку стояния непросто. Опорные точки недоступны, видимость на них затруднена или не выполняется условие геометрической формы засечки. В связи с этим, вычисление координат прибора занимает длительное время, что нежелательно при сжатых сроках выполнения работ.
При использовании SmartStation выбирается положение, наилучшим образом подходящее под задачи по выносу в натуру. SmartStation устанавливается на выбранной точке, координаты точки стояния определяются с помощью RTK GPS, исходное направление задается измерением на любую из опорных точек. После этого можно сразу начинать вынос объектов в натуру.

Преимущества SmartStation:
  • Установка станции там, где это удобно; 
  • Не требуется прокладывать ход или выполнять засечку; 
  • Загромождения на объекте больше не помеха; 
  • Возможность сразу начать разбивку; 
  • Строительные работы могут быть завершены раньше; 

Съемка коммуникаций на застроенной территории:

В последнее время для учета коммуникаций в пространственных базах данных к точности определения их положения предъявляются повышенные требования. Производится съемка таких объектов ситуации, как люки, пожарные гидранты, распределительные узлы под воду, газ и электричество. Объекты ситуации часто располагаются в местах, где здания и листва деревьев затрудняют использование только GNSS для определения их координат.
Тахеометр является идеальным инструментом для съемки коммуникаций, однако интенсивное движение и припаркованные автомобили загораживают опорные пункты, следовательно появляется необходиость в проложении хода.. В этом случае требуется тщательная рекогносцировка,:которая занимает значительное время..
В случае использования SmartStation нет необходимости проводить рекогносцировку. SmartStation устанавливается в любом удобном месте, координаты точки стояния определяются с помощью GPS RTK, тахеометром измеряются все элементы ситуации по близости.. Если с текущей точки стояния нет прямой видимости ни до одной опорной точки, исходное направление задается направлением на точку, куда устанавливается SmartStation для определения координат посредством RTK GPS. Все измерения автоматически пересчитываются.

Преимущества SmartStation:
  • Нет необходимости в поиске опорных пунктов; 
  • Нет необходимости в проложении хода; 
  • Высокий уровень точности; 
  • Высокая скорость работ; 
  • Не требуется навыка проложения и обработки хода; 

Сравнение работы SmartStation и традиционной полигонометрии

Для сравнения эффективности работы SmartStation и традиционных методов была проведена тестовая съемка. Топосъемка автопарка (площадь 5700 кв.м.) проводилась дважды: один раз традиционным тахеометром, а другой — SmartStation. Рядом с объектом было найдено три исходных пункта (PM 115, PM 114, PM 227). Один располагался в непосредственной близости, два других — вдоль главной дороги в 200 м от автопарка, вне прямой видимости. Для проложения хода традиционным тахеометром потребовалось четыре станции (PM 114, 001, 002 и 003). Точки 001, 002 и 003 были заложены при рекогносцировке, которая заняла 20 минут. На каждой станции выполнялись измерения на предыдущую и следующую по ходу точки при круге лево и круге право. Создание съемочного обоснования заняло 55 минут, а сама топосъемка — 60 минут.

Операция

Время

Рекогносцировка

20 мин

Ход съемочного обоснования

55 мин

Топосъемка

60 мин

Всего

35 мин


Таблица 1. Время, затраченное на топографическую съемку с использованием традиционного метода проложения хода

Незамыкание хода с точки 003 на PM 227 составило 12 мм в плане и 10 мм по высоте. Пикеты приведены на рис. 5.

Выполнение этих же работ посредсвом SmartStation производилось с двух станций. На каждой станции координаты определялись при помощи GPS RTK, а также производились измерения при двух кругах на заднюю точку. На станции 003 в качестве задней использовалась PM 227, а на станции 002 задней была точка 003. С точки 002 на точку PM 227 прямой видимости не было.
Явным преимуществом использования SmartStation является сокращение времени, необходимого на рекогносцировку. Для наглядной оценки эксперимента, при проложении хода и для установки SmartStation выбирались одни и те же станции (002 и 003). Время, потраченное на рекогносцировку со SmartStation, оказалось вдвое короче, чем на рекогносцировку для традиционного хода: меньше точек стояния, меньше наблюдений. Если бы имелась прямая видимость на все точки, использовалась бы лишь одна станция, соответственно было бы затрачено еще меньше времени.
SmartStation автоматически принимает спутниковый сигнал и начинает вычисление координат. К тому моменту, когда прибор установлен над точкой, отцентрирован и отгоризонтирован — SmartStation уже «знает» свое точное положение. Время стояния прибора на точке — это время на установку SmartStation и выполнение обратной засечки при двух кругах. Система особенно удобна для начинающих пользователей: она не требует точного центрирования над конкретным пунктом, а только аккуратного горизонтирования и наличия прямой видимости на измеряемые точки. Координаты точки стояния можно получить нажатием на одну единственную кнопку.

Операция

Время

Рекогносцировка

10 мин

2 точки стояния

14 мин

Топосъемка

60 мин

Всего

84 мин


Таблица 2. Время, затраченное на топографическую съемку посредство SmartStation

Разность координат точек, полученных SmartStation и координат тех же точек, вычисленных в ходе приведена в таблице 3.

Точка

В плане

По высоте

002

11 мм

13 мм

003

9 мм

12 мм


Таблица 3. Разность координат точек, полученных из тахеометрического хода и GPS RTK


В процессе съемок выполнялись измерения на дополнительные точки. Разница между координатами этих точек, измеренными традиционным тахеометром и SmartStation составила не более 15 мм в плане и по высоте. Последнее доказывает, что SmartStation с высокой точностью определяет исходное направление. В данном примере, SmartStation позволила сократить затраты времени на 41 минуту (38%), поскольку не было необходимости производить наблюдения на точки хода PM 114 и PM 115, а рекогносцировка заняла меньше времени. Если бы опорные точки располагались дальше от объекта, экономия времени была бы еще более заметна.

Резюме

SmartStation — это первый в мире серийно выпускаемый прибор, объединивший в себе GNSS приемник и тахеометр. SmartStation позволяет отказаться от передачи координат с опорных пунктов ходами полигонометрии: координаты точки стояния определяются посредством решения GPS RTK. Для работы со SmartStation не требуется обладать углубленными знаниями в спутниковой навигации: координаты можно получить нажатием на одну кнопку. Популяризация базовых станций во всем мире означает, что в большинстве случаев в радиусе 50 км от района работ будет находиться хотя бы одна станция, транслирующая поправки: с ней и связывается SmartStation для получения точных координат.
Пользователи SmartStation больше не столкнутся с необходимостью «тянуть» ход и выбирать точки стояния, исходя из наличия прямой видимости. Если известны координаты хотя бы одной видимой точки, SmartStation больше ничего не нужно. Если в пределах видимости нет точек с известными координатами, SmartStation требует двух точек стояния, которые и являются базисом, задающим исходное направление и координатную основу. По сравнению с современными методами передачи и определения координат, наземными или спутниковыми, SmartStation обладает неоспоримыми преимуществами.

Заключение

Появление SmartStation — это шаг вперед в геодезическом приборостроении. Являясь первым инструментом подобного класса, система открывает геодезистам новые возможности. Координатное обеспечение района работ теперь потребует меньше времени и сил. Одно нажатие на кнопку — и координаты точки стояния определяются в реальном времени. Для этого не требуется специальных знаний, система SmartStation очень проста в использовании.
Сравнение традиционных методов привязки и SmartStation при топосъемке показало, что при использовании SmartStation съемка была выполнена на 38% быстрее, при этом точность позиционирования не превышала 15 мм в плане и по высоте. Временные затраты были сокращены за счет упрощенной рекогносцировки и исключения традиционного метода передачи опоры к объекту съемки.


Ссылки
Stansell, T., 1983, GPS in the Year 2000, presentation at The Special DOD Symposium on the Global Positioning System (GPS), Arlington, VA, April 22.
Leica Geosystems, 2009, Leica Viva,
http://www.leica-geosystems.com/en/



Рис 2. Засечка на неизвестную точку

Рис 1. Обратная засечка

Рис. 5. Топографическая съемка автопарка

Рис. 4. Территория работ

к другим материалам