Національний університет “Львівська політехніка”

Заєць Іван Михайлович

УДК 528.24

ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ СТВОРЕННЯ КООРДИНАТНОЇ ОСНОВИ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗАГАЛЬНОДЕРЖАВНОГО КАРТОГРАФУВАННЯ УКРАЇНИ

Спеціальність 05.24.01 – геодезія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Савчук Степан Григорович, доцент кафедри вищої геодезії та астрономії

Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти:

§ доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кислюк Віталій Степанович, головний науковий співробітник Головної астрономічної обсерваторії НАН України, м.Київ;

§ кандидат технічних наук, доцент Рябчій Владислав Валерійович, доцент кафедри геодезії Національної гірничої академії, м.Дніпропетровськ.

Провідна установа: науково-виробничий центр “Техдіагаз” Державного концерну “Укртрансгаз”, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 2 липня 2004 року о 10 годині

на засіданні спеціалізованої ради Д 35.052.13 при Національному університеті “Львівська політехніка”

за адресою: 79013, м.Львів – 13, вул.С.Бандери, 12, ауд.518 ІІ навч. корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м.Львів, вул.Професорська, 1.

Автореферат розісланий 1 червня 2004р.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. Т.Г.Шевченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність наукової проблематики. Кінець ХХ століття з його величезним за розмахом розвитком інформаційних технологій характеризувався кардинальними змінами в інженерній науці та практиці. Революційну роль в розвитку навігацій рухомих об'єктів, геодезії, картографії, земельного кадастру та інших сферах науки і техніки, де необхідне швидке та точне визначення місцеположення об'єктів, зіграла поява глобальних супутникових радіонавігаційних систем (СРНС) координатно-часового забезпечення.

Створення в останнє десятиріччя апаратури і методів координатних визначень на основі СРНС радикальним чином змінило саму уяву про визначення місцеположення об'єктів та і саму координатну основу.

Ефективне підвищення точності координатної основи для загальнодержавного картографування може бути гарантоване тільки при впроваджені сучасної системи координат, яка би була однозначно пов'язана з міжнародними системами координат і висот.

Проблеми в області геодезії і картографії, пов'язані з використанням різних геодезичних систем, вперше виникли в Європі на початку 1970-х років при розробці багаторадарних систем слідкування за повітряним простором.

Починаючи з 1989 року на території Європи розпочато практичну реалізацію Європейської референцної геодезичної мережі (ЕUREF), а з 1994 року, враховуючи досвід провідних країн Європи, силами Українського Державного аерогеодезичного підприємства (УкрДАГП), були вже розпочаті роботи по побудові фундаментальної геодезичної мережі України. В 1995 році, при співробітництві з інститутом прикладної геодезії Федеративної Республіки Німеччина, в рамках проекту EUREF-UKR?95, було виконано перший цикл супутникових GPS-спостережень на 16 пунктах фундаментальної геодезичної мережі України. Із-за організаційних проблем, пов'язаних із розповсюдженням інформації, що становить державну таємницю, якісну математичну обробку супутникових визначень на той час не виконано, тому система EUREF не має офіційного статусу на території України.

Застосування супутникових методів побудови геодезичних мереж так чи інакше вимагає використання саме загальноземної системи відліку при обробці результатів вимірів. З огляду на цей добре відомий факт, найбільш доцільним з точки зору точності було би повне перевизначення існуючих геодезичних мереж за допомогою супутникових методів, інтегрування цих мереж в світову геодезичну мережу і подальший беззастережний перехід до референцної системи координат, яка однозначно пов'язана із загальноземною системою відліку. Реалізація такого підходу, вочевидь, є пов'язаною із зміною всієї геодезичної основи і буде вимагати відповідних змін всіх побудов, виконаних на цій основі, а отже - й певних економічних витрат. В умовах сучасної складної економічної ситуації в Україні реалізувати тотальний перехід до загальноземної системи відліку неможливо. Для цього використовується методика локалізації системи WGS-84 на конкретній території, тобто робляться спроби визначення параметрів перетворення загальноземних та референцних систем координат.

Необхідно відзначити, що саме у пошуках оптимальних методів визначення параметрів референцної системи координат чималий внесок до теорії даної проблеми зробили за останнє десятиліття вчені - геодезисти. Це, насамперед, Я.Яцків, О.Марченко (Прийнято участь у реальному створенні за даними лазерної локації ШСЗ ITRF89), Ю.Карпінський, І.Тревого, О.Кучер, С.Савчук К.Третяк та інші, а також зарубіжні вчені – М.Машимов, В.Алексашин, К.Насретдінов, Г.Єфимов, J.Kostelecky, M.Cimbalnik, R.Kadaj та інші. Питаннями створення референцних систем координат та можливостями їх представлення в інших системах займалися в минулому такі визначні вчені: Ф.Красовський, А.Ізотов, В.Данілов, В.Магницький, В.Морозов, М.Аваєв та інші.

Проте, як показала практика застосування параметрів перетворення координат, суттєвої переваги в точності створення координатної основи з допомогою новітньої супутникової технології не виявляється. Справа вся в тому, що базова система координат, на основі якої виконуються чи приводяться до неї всі обчислювальні геодезичні роботи, є неоднорідною за точністю системою. Тому однією із важливих задач у питаннях підвищення ефективності застосування супутникових технологій визначення місцеположення в системі геодезичних референцних координат є досягнення однорідності систем.

Про актуальність, а також гостроту проблеми поєднання існуючих геодезичних мереж та мереж, що створюються з допомогою СРНС, свідчить те, що сучасні геодезичні технології і, в першу чергу, GPS виміри починають застосовуватись в Україні надзвичайно широко. Зокрема, створена мережа GPS пунктів та перманентних станцій, все більшого поширення набувають щорічні, тривалістю до одного місяця, GPS кампанії, що охоплюють на сьогодні понад 100 пунктів державної астрономо-геодезичної мережі.

Підставою для використання Світової геодезичної системи координат на території України є Постанова Кабінету Міністрів України "Про впровадження на території України Світової геодезичної системи координат WGS-84" від 22.12.1999 р. №2359 та Розпорядження Кабінету Міністрів від 11.08.2000 р. №320-р "Про затвердження плану заходів щодо впровадження на території України Світової геодезичної системи координат WGS-84".

Разом з цим, питання поєднання класичної астрономо-геодезичної мережі України та мереж, що створюються з допомогою СРНС ще майже не досліджувались.

Це робить актуальними дослідження, направлені на реалізацію можливостей підвищення точності координатної основи, яка би базувалася на даних GPS-спостережень, для загальнодержавного картографування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи тісно пов’язана з науковою та навчальною роботою кафедри вищої геодезії та астрономії Національного університету “Львівська політехніка”, з планами науково-дослідних робіт Державної служби геодезії, картографії та кадастру. Зокрема, тема роботи узгоджується з Державною програмою розвитку галузі на 2002-2010 роки. Автор був керівником та співвиконавцем ряду госпдоговірних науково-дослідних робіт, тісно пов’язаних з темою дисертації, а саме: “Програма розвитку державної мережі нівелювання І і ІІ класів на 1995-2005 р.р.”, “Програма створення мережі супутникових радіонавігаційних спостережень”, “Програма побудови фундаментальної GPS-мережі України (графічна частина)” та “Обгрунтування розробки карти 1:4000 000 для Національного атласу України “Сучасні тектонічні рухи земної кори”.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є вдосконалення технології підвищення точності координатної основи і розробка відповідних практичних рекомендацій щодо забезпечення загальнодержавного картографування з використанням супутникових технологій.

Об’єктом досліджень є геодезична мережа, а предметом досліджень – створення координатної основи із використанням різних методів.

Для досягнення цієї мети в роботі розв’язуються такі задачі:

-

-

-

-

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна одержаних в дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що:

1. Вперше встановлені не тільки якісні, але й кількісні характеристики просторових деформацій існуючої астрономо-геодезичної мережі України.

2. Проведено аналіз точності перетворення координатних систем.

3. Запропоновано оригінальну і економічно вигідну методику перетворення координат пунктів існуючої локальної геодезичної мережі в загальноземну систему.

4. Розроблено технологію підвищення точності державної координатної основи для спеціальних задач делімітації та демаркації державного кордону.

5. Проведено експериментальний аналіз створення координатної основи для окремих районів території України.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

q

q

q

Основні результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування та апробацію при виконанні супутникових спостережень з метою створення координатної основи в районі Дніпровсько-Бузького лиману і аналогічних спостережень при демаркації ділянки українсько-молдовського кордону, а також у навчальних курсах “Вища геодезія” та “Методи аналізу та обробки GPS інформації”, що викладаються в Національному університеті “Львівська політехніка”.

Основні положення, що виносяться на захист:

1.

- оцінити величину та характер розподілу деформацій на пунктах астрономо-геодезичної мережі України 1-го класу і на цій основі довести неможливість використання в точних геодезичних роботах традиційних методів перетворення систем координат;

- оцінити реальну точність перетворення координат існуючої геодезичної мережі в систему WGS-84.

2.

3.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені автором самостійно. Особистий внесок автора полягає у розробці технології створення координатної основи підвищеної точності через сумісне використання класичних та супутникових даних та проведенні широкомасштабних експериментальних робіт з виявлення точності та ефективності запропонованої методики. Аналіз основних чинників, які впливають на точність координатної основи, а також результатів обробки експериментальних матеріалів, формулювання висновків виконано самостійно.

У спільних публікаціях особистий внесок автора полягає в участі у експериментальних роботах та обчисленнях, аналізі результатів, формуванні висновків.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: Міжнародних науково-технічних симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS технології”, Алушта, 2000, 2001,2003; Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва”, Львів, 2000, 2002; Симпозиумі Міжнародної асоціації геодезії “Глобальні та регіональні геодезичні мережі”, Понта Дельгада (Іспанія), 2002; ІІ-й науково-практичній конференції “Застосування GPS в Україні”, Харків, 2002.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в наукових фахових виданнях, збірниках наукових праць конгресів, матеріалах конференцій та симпозіумів, у тому числі і міжнародних. За матеріалами дисертації опубліковано 7 наукових праць, з них: 5 статей в наукових фахових виданнях, 2 статті у збірниках матеріалів конференцій.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 142 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 126 сторінки, робота містить 57 рисунків і 32 таблиці. Додатки на 7 сторінках включають допоміжний ілюстрований матеріал та акти впровадження результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано обгрунтування актуальності та новизни предмету дослідження, сформульовано мету та основні завдання дисертаційної роботи, практичну цінність проведених досліджень та розробок, їх апробацію. Там також сформульовано основні положення, що виносяться на захист, подано дані про публікації з теми дисертаційної роботи, структуру та її обсяг, впровадження результатів досліджень.

Перший розділ присвячено станові геодезичної мережі України та аналізові літератури з питань створення координатної основи на базі супутникових технологій. Державну геодезичну мережу (ДГМ) побудовано відповідно до вимог Основних положень про державну геодезичну мережу СРСР 1954-1961 рр. та Основних положень про державну нівелірну мережу СРСР 1961 р. Вона включає ряди тріангуляції 1 класу; заповнюючі мережі тріангуляції і полігонометрії 1 та 2 класів; геодезичні мережі згущення 3 і 4 класів; нівелірні мережі І, ІІ, ІІІ, IV класів.

За референцну систему координат України для обчислення координат пунктів ДГМ прийнято референцну систему координат 1942 р. (СК-42). Державна геодезична мережа стала основою всіх наступних геодезичних і топогра-фічних робіт. Слід сказати, що помилки у визначенні базисів і азимутів, а також астрономічних широт і довгот у ДГМ, спричинені станом техніки і рівнем знань, внесли прямий і опосередкований вплив на точність астрономо-геодезичної мережі України.

Питання приведення існуючої астрономо-геодезичної мережі України до загальноземної системи координат і постійне її удосконалення може бути вирішене позитивно тільки на базі особливої мережі опорних пунктів, створюваної методами супутникової геодезії. Цю мережу вже пізніше назвали фундаментальною геодезичною.

Застосування супутникових методів побудови геодезичних мереж так чи інакше пов’язане з використанням саме загальноземної системи відліку при обробці результатів вимірів. Тому, найбільш доцільним у нашій ситуації було б повне перевизначення існуючих геодезичних мереж за допомогою супутникових методів, інтегрування цих мереж у світову і подальший беззастережний перехід до референцної системи координат, яка однозначно пов’язана із загальноземною системою відліку. Реалізація такого підходу, вочевидь, пов’язана із зміною всієї геодезичної основи і вимагатиме відповідних змін всіх побудов, виконаних на цій основі, а отже, й певних економічних затрат.

Питання методики побудови сучасних геодезичних мереж та отриманої точності постійно розглядаються на міжнародних конгресах та конференціях. Однак, залишаються невирішеними та суперечливими питання, які подано як першочергові завдання, які необхідно розв’язати для введення в майбутньому геодезичної системи відліку України та модернізації ДГМ, і на основі яких сформульовано задачі дисертації. Серед них найголовнішими вважаємо: створення фундаментальної геодезичної мережі, частина пунктів якої будуть перманентними станціями світової та європейської мережі; прив’язка пунктів ДГМ 1 та 2 класів до пунктів фундаментальної геодезичної мережі; оцінка точності ДГМ, обчислення параметрів зв’язку державної системи координат з європейською та міжнародною системами та оцінювання їх надійності (точності); модернізація головної висотної основи та вибір системи висот для України; модернізація державної гравіметричної мережі; побудова моделі квазігеоїду для території України субдециметрової точності; впровадження геодезичної системи відліку для території України.

З позиції точносних характеристик основною ланкою всієї структури координатного забезпечення території країни повинна стати фундаментальна геодезична мережа (ФГМ). Основні функції цієї мережі:

·

·

·

·

В 1994 році, враховуючи досвід провідних країн Європи, силами Українського Державного аерогеодезичного підприємства (УкрДАГП), було розпочато роботи по побудові фундаментальної геодезичної мережі України. В 1995 році, при співробітництві з інститутом прикладної геодезії Федеративної Республіки Німеччина, в рамках проекту EUREF-UKR?95, було виконано перший цикл супутникових GPS-спостережень на 16 пунктах фундаментальної геодезичної мережі України (рис. 1).

В 1996 році було виконано спостереження частини фундаментальної мережі з метою більш надійного визначення координат пункту Каховка. Спостереження проводились в період з 10 червня 1996 року по 15 червня 1996 року на пунктах КІRО (Кіровоград), МАRІ (Маріуполь), SUМY (Суми) та КАСН (Каховка).

В 1997 році були виконані спостереження в рамках міжнародного проекту Еuгореаn Vегtiсаl Rеfегеnсе Nеtwoгк GРS Саmраіng (EUVN-97) з метою зв'язку висотних основ Західної, Центральної та Східної Європи. Спостереження проводились в період з 21 травня 1997 року по 29 травня 1997 року на чотирьох пунктах фундаментальної мережі МІКО (Миколаїв), SІМЕ (Сімеїз), UZНD (Ужгород-Деренівка) та (Київ-ГАО).

В 1999 році було виконано спостереження в рамках міжнародного проекту ЕURЕF-МОLDOVА, який ставив своєю ціллю розповсюдження системи ЕURЕF на територію республіки Молдова. Спостереження проводились в період з 25 травня 1999 року по 29 травня 1999 року. Спостереження виконувались на трьох пунктах фундаментальної мережі МІКО (Миколаїв), SІМЕ (Сімеїз), UZНD (Ужгород-Деренівка). В обробку приймались спостереження трьох пунктів фундаментальної та однієї перманентної станції GLSV (Голосіїв). Прив'язка до загальноземної системи координат ITRF97 виконувалась шляхом включення в обробку даних з постійно діючих IGS-станцій.

Результати обробки (значення СКП визначення координат пунктів ФГМ України) наведено у табл.1.

Таблиця 1

Статистика якості фундаментальної геодезичної мережі України

Характеристика | Макс. значення | Мін. значення | Сер. значення

, мм | 4,6 | 1,5 | 3,1

, мм | 3,4 | 0,8 | 2,1

, мм | 5,0 | 1,2 | 3,3

На жаль, пункти ФГМ не є пунктами існуючої на території України державної геодезичної мережі. Тому для встановлення зв’язку національної системи координат із загальноземною необхідно вирішити проблему визначення координат пунктів ДГМ у системі ФГМ.

Втім, найбільш доречним тут було б визначити координати всіх без винятку пунктів існуючої ДГМ у системі ФГМ за допомогою супутникових радіонавігаційних систем, як це, наприклад, було зроблено в європейських країнах. Однак з огляду на досить значну кількість пунктів ДГМ на території України (19 538), теперішній непростий економічний стан держави та явну недостатність високоточних супутникових геодезичних приймачів у геодезичних підприємствах, доводиться констатувати, що виконати це завдання за короткий проміжок часу не можна.

Аналіз імовірних варіантів використання супутникових радіонавігаційних систем для координатного забезпечення країни дозволяє зробити висновок, що найбільш оптимальним у сучасних умовах методом є побудова єдиної за точністю мережі геодезичних пунктів із середніми відстанями між ними порядку 20-30 км – астрономо-геодезичної мережі 1 класу, тобто провести перевизначення існуючих пунктів АГМ 1 і 2 класів усього 5 905 пунктів.

У такому випадку будь – який зацікавлений користувач, який має мінімум два двочастотних супутникових приймачі, у змозі виконати координатні визначення диференційним методом відносно пунктів вказаної мережі. Принаймні один із цих пунктів завжди буде від нього на відстані не більше 10-20 км, а саме при таких відстанях між пунктами повністю витримується інструментальна точність сучасних супутникових приймачів у діапазоні спостережень біля 1 години.

Спостереження на пунктах фундаментальної мережі та мережі АГМ 1-го класу виконувались в період з 3 вересня 2000 року по 30 вересня 2000 року. Схема астрономо-геодезичної мережі 1-го класу наведена на рисунку 1, а результати обробки (значення СКП визначення координат пунктів АГМ 1-го класу України) наведено у табл.2.

Таблиця 2

Статистика якості АГМ України 1-го класу

Характеристика | Макс. значення | Мін. значення | Сер. значення

, см | 8,5 | 0,4 | 4,5

, см | 11,8 | 0,3 | 6,2

, см | 12,8 | 0,5 | 7,1

Оцінка якості узгодження побудованих мереж з загальноземною системою координат була виконана за допомогою контрольного визначення пункту Голосіїв, координати якого приведені у каталогах Міжнародної служби обертання Землі. Одержані значення розходжень Х = 2 мм, У = 2 мм, Z = 3 мм за величиною добре узгоджуються із значеннями із каталогу.

У другому розділі розглянуто питання дослідження точності методів перетворення геодезичних систем координат в регіональному та локальному масштабах. В підрозділі 2.1 сформульовано основні вимоги до координатного забезпечення при розв’язуванні різноманітних задач геодезії, картографії та навігації, в 2.2 приведені основні відомості про референцні системи координат.

Нині геодезичні пункти чи спеціальні знаки координатні основи різного призначення та спрямування в Україні визначено у державній геодезичній системі координат 1942 р. На її основі виготовлено масштабний ряд топографічних карт, які широко використовуються при вирішенні прикладних задач, пов’язаних із геопросторовими даними. У зв’язку з цим постійно виникає необхідність перетворення координат із загальноземної системи (наприклад, WGS-84) у СК-42 та навпаки.

Розрізняють два типи перетворення координат із однієї системи в іншу:

- перетворення просторових прямокутних чи геодезичних координат однієї координатної системи в іншу з використанням точно відомих параметрів перетворення;

- перетворення координат з однієї системи в іншу з використанням пунктів, координати яких відомі в обох системах (метод опорних пунктів).

Найбільш поширеними є три методи перетворення просторових координат, а саме: семипараметричний метод Гельмерта, трипараметричний метод Молоденського та метод множинної регресії. В роботі більш детально розглянуто суть цих методів.

Вибір методу перетворення залежить від багатьох факторів: району використання, наявності пунктів з відомими координатами, якості геодезичної мережі, точності навігаційної інформації тощо. Узагальнені вимоги до точності координатного забезпечення наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Вимоги до координатного забезпечення при вирішенні геодезичних задач

Види задач за сферами застосування координат | Точність

Побудова державних та геодезичних мереж спеціального призначення | 0,001-0,050 м

Створення топографічних планів масштабів 1:500-1:5 000 | 0,10-1,0 м

Створення топографічних карт масштабів

1:10 000-1:1 000 000 | 2-200 м

Топографо-геодезичне забезпечення кадастрових робіт | 0,10-3,0 м

На основі виконаних робіт з визначення положення пунктів ДГМ 1-го класу у загальноземній системі координат (ITRF’2000) нами було обчислено параметри перетворення Гельмерта для території всієї України.

Оцінка точності використання параметрів перетворення між системами координат для території України виконано за контрольними пунктами, тобто такими, що не входили в число тих пунктів, на основі яких і проводилося визначення параметрів перетворення Гельмерта. Результати зведено у табл. 4.

В результаті виконаних досліджень нами отримано універсальні параметри перетворення систем координат СК-42 та WGS-84 за Гельмертом для всієї території України. Ці параметри забезпечують середню точність перетворення 1,11 м при максимальних похибках до 3 м. Ці оцінки, на наш погляд, і характеризують ті деформації (спотворення) ДГМ України, які викликані прийнятою раніше методикою обробки геодезичних мереж та цілим рядом інших методологічних підходів в класичних геодезичних мережах.

Для виконання перетворень з вищою точністю необхідно локалізувати значення параметрів на конкретний район.

В підрозділі 2.5 проаналізовано та досліджено методи визначення параметрів перетворення плоских прямокутних координат для локального району. В ході перетворення супутникових координат в систему координат місцевої геодезичної мережі необхідно сумістити пункти, координати яких визначені в обох координатних системах.

Таблиця 4

Оцінка точності використання універсальних параметрів перетворення |

Різниці просторових координат

Номер пункту | у прямокутній системі | у геодезичній системі

, м | , м | , м | , “ | , “ | , м

1 | -0,404 | -0,04 | -1,067 | -0,014 | 0,008 | -1,048

2 | 0,517 | -0,011 | 1,009 | 0,009 | -0,013 | 1,067

3 | -0,938 | 0,28 | 0,105 | 0,020 | 0,034 | -0,369

4 | 0,8 | 1,149 | 0,273 | -0,024 | 0,034 | 1,010

5 | 0,275 | 1,198 | 0,11 | -0,016 | 0,048 | 0,575

6 | -0,365 | -0,444 | 0,323 | 0,020 | -0,010 | -0,144

7 | -1,023 | 0,76 | 0,215 | 0,015 | 0,063 | -0,089

8 | 0,616 | 0,371 | 0,79 | -0,001 | -0,002 | 1,067

9 | 0,225 | 0,182 | 0,145 | -0,004 | 0,002 | 0,302

10 | 0,301 | 0,009 | 0,447 | 0,004 | -0,007 | 0,503

11 | -0,66 | -0,619 | -1,032 | -0,001 | -0,007 | -1,364

12 | 0,653 | 0,048 | 0 | -0,013 | -0,015 | 0,395

13 | 0,221 | -0,144 | 1,729 | 0,033 | -0,012 | 1,390

14 | 0 | 0,549 | -0,204 | -0,013 | 0,021 | 0,077

15 | 0,005 | -0,283 | -0,16 | 0,000 | -0,013 | -0,208

16 | 0,067 | -1,219 | -1,23 | -0,012 | -0,054 | -1,309

17 | -0,215 | 0,307 | -0,417 | -0,009 | 0,018 | -0,297

18 | -0,106 | -1,682 | -1,381 | -0,005 | -0,070 | -1,674

19 | 0,082 | -0,245 | 0,198 | 0,006 | -0,012 | 0,102

20 | -0,052 | -0,165 | 0,146 | 0,006 | -0,005 | 0,015

Сума квадратів різниць | 4,709 | 9,065 | 11,026 | 0,004 | 0,018 | 13,846

С. к. п. по осях | 0,485 | 0,673 | 0,742 | 0,014 | 0,030 | 0,832

Загальна похибка | 1,114

Для цього скористаємось аффінним перетворенням у наступному вигляді

(1)

де - номери пунктів, - загальне число спільних пунктів, координати яких визначені в обох системах координат. Значення невідомих параметрів перетворення визначається методом найменших квадратів (=min).

Інший метод, що використовувався, це перетворення плоских прямокутних координат пунктів супутникової мережі в місцеву систему, коли для збереження точності потрібно вставити супутникову мережу у існуючу без деформування. Для цього потрібно спочатку виконати узгодження координат двох мереж. Це можна здійснити шляхом суміщення координат та одного з пунктів, що приймається за початковий, та одного з напрямів (- дирекційний кут, обчислений за супутниковими координатами початкового і будь-якого іншого пунктів). Тоді попередні координати всіх пунктів супутникової мережі в локальній системі можна обчислити за наступними формулами

Після обчислення попередніх координат пунктів супутникової мережі виконується її поворот на малий кут та її зміщення по напрямах координатних осей і . Тоді отримаємо

(2)

Для забезпечення більшої узгодженості супутникової та локальної мереж повинна виконуватися умова мінімального відхилення координат від координат тих же пунктів, отриманих в локальній системі. За критерій близькості приймається умова, що (=min).

Для перетворення плоских прямокутних координат нами пропонується використати конформне перетворення вільної мережі за способом Різаві. Цей спосіб був запропонований для тих випадків, коли урівняну місцеву геодезичну мережу з якихось причин не було зорієнтовано і масштабовано шляхом визначення азимутів і довжин вихідних сторін. Його основне призначення – найкраще узгодження геодезичної мережі з картою шляхом використання надійних опознаків на місцевості та їх зображень у вигляді контурних точок карти.

Для нашого випадку, роль контурних точок, до яких прив’язуються пункти місцевої геодезичної мережі, будуть виконувати пункти супутникової мережі. Зберігаючи конформність мережі, виконують перетворення мережі під умовою =min, де - відстань між точками, положення яких відоме у двох системах координат.

Збереження вказаної умови і конформності приводить до паралельного зсуву мережі на величини і по осях координат, зміні масштабу мережі на величину та до повороту мережі навколо деякої точки на кут .

Поправки до супутникових значень координат всіх пунктів мережі за перехід до їх значень в місцевій системі координат обчислюють за формулами

, (3)

.

Експериментальні дослідження проведено в районі Дніпровсько-Бузького лиману розміром 100100 км.

Супутникові вимірювання виконані приймачами Trimble 4000SSE на 12 пунктах державної геодезичної мережі, розміщених по побережжю Дніпро-Бузького лиману та на 2 пунктах фундаментальної геодезичної мережі України: Миколаїв, Симеїз, які служили вихідними.

Для аналізу перетворення було виконано чотири розв’язки використовуючи ту чи іншу комбінацію пунктів для незалежного контролю (від 3 до 5), тобто пункти, які не приймали участь у процесі перетворення координат. Комбінації пунктів для всіх методів були однакові.

В таблиці 5 зведено результати визначень за трьома методами перетворення (формули 1-3) на прикладі одного розв’язку.

Таблиця 5

Точність перетворення плоских координат для локального району

Метод

перетворення | Пункти | Різниці координат

, см | , см

Афінне перетворення з оптимізацією коефіцієнтів | 1 | -0,9 | 0,4

2 | -5,3 | -5,4

3 | 3,3 | -5,1

Вставка без деформацій |

1 | -3,2 | 2,2

2 | -4,7 | -5,4

3 | 4,7 | -9,1

На основі способу Різаві | 1 | -0,2 | 6,5

2 | -5,6 | -7,3

3 | 4,0 | -6,5

Отримані параметри для локальної території (Дніпровсько-Бузький лиман) забезпечують середню точність перетворення плоских координат на рівні 5-7 см, в той же час з використанням універсальних параметрів перетворення Гельмерта на цей район отримано у плані 0,15 м та 0,25 м по висоті, що вказує на вищу точність визначення пунктів ДГМ з використанням локальних параметрів.

Враховуючи досвід виконаних досліджень на Дніпровсько-Бузькому лимані нами було розглянуто наступну методику визначення параметрів перетворення плоских прямокутних координат в цьому локальному районі. На основі матеріалів лінійно-кутових вимірювань, що були виконані на 12 пунктах ДГМ різного класу в попередні роки, нами проведено урівнювання локальної геодезичної мережі як вільної, тобто без залучення відомих каталожних значень координат пунктів. В результаті чого ми отримали координатну основу, яка має місцевий (локальний) статус. В результататі виконаного урівнювання локальної класичної мережі середня квадратична похибка вимірювання кута виявилась 0,7-1,0”, а відстані – 3,9 мм.

На цих же пунктах були виконані супутникові радіонавігаційні спостереження з метою визначення їх координат в загальноземній системі. Для післясеансної обробки даних супутникових спостережень був використаний програмно-технологічний комплекс GАМІТ/GLОВК. Максимальна нев’язка, що розглядається як результат квадратичного додавання складових похибок координат, відповідає сер. кв. похибці в одному прирості координат, що дорівнює 3.2 мм, а обчислена середня квадратична похибка одного виміру із урівнювання склала 2.4 мм. Ця оцінка вказує на високу точність супутникових вимірювань.

Наявність в даній мережі числа спільних пунктів, більше 6 дозволяє оцінити, в якій степені викладені методи трансформування супутникової мережі наблизили координати “супутникових” пунктів до пунктів “класичних”.

Після застосування аффінного перетворення, за рахунок деформації мережі, визначені із супутникових вимірювань координати пунктів будуть максимально наближені до координат, що отримані класичними вимірюваннями. Розходження вказаних координат характеризуються середніми квадратичними похибками 6 мм, 5 мм, а без урівнювання – практично на порядок більше (див. табл. 5). В результаті транформування із збереженням форми і масштабу супутникової мережі (на основі запропонованого методу Різаві), розходження в координатах дещо збільшились і дорівнювали 6мм, 6мм, що є набагато меншими, ніж при проведенні традиційного перетворення.

Виконані дослідження точності створення координатної основи з використанням супутникових технологій через перетворення координат дозволили виділити два підходи: застосування універсальних параметрів для регіонального масштабу мереж та локалізованих параметрів для місцевих мереж. Для досягнення максимальної точності необхідно виконувати суцільні спостереження на всіх пунктах мережі, тобто провадити інструментальні роботи.

На підставі виконаних у другому розділі досліджень із врахуванням вимог до координатного забезпечення при вирішенні топографо-геодезичних та інших спеціальних задач (див. табл.3) пропонується такий порядок перетворення інформації, представленої у системі СК-42, у систему WGS-84:

§ Побудова державних та геодезичних мереж спеціального призначення – інструментальні роботи;

§ Створення топографічних планів масштабів 1:500 – 1:5 000 – інструментальні роботи, частково перетворення за локалізованими параметрами;

§ Створення топографічних карт масштабів 1:10 000 – 1:1 000 000 – перетворення за локалізованими та універсальними параметрами;

§ Просторове забезпечення кадастрових робіт – інструментальні роботи, частково перетворення за локалізованими параметрами.

Третій розділ містить розробку та результати експериментального дослідження методики підвищення точності координатної основи в регіональному та локальному масштабах. З метою рекомендаційних висновків стосовно вимог до координатного забезпечення при вирішенні топографо-геодезичних та інших спеціальних задач проведено експериментальні роботи, в які входило виявлення спроможності використання лише незначної частини проведення супутникових спостережень та включення у спільну обробку даних лінійно-кутових вимірювань, що виконувалися в попередні роки. На прикладі комплексу геодезичних робіт з загальнодержавного картографування, що проводився в зоні кордону між Україною та Республікою Молдова нами була розроблена технологія створення координатної основи однорідної точності регіонального масштабу на основі поєднання результатів класичних лінійно-кутових вимірів та супутникових радіонавігаційних GPS-спостережень.

У підрозділі 3.2 подано інформацію про виконані супутникові радіонавігаційні спостереження у 2003 році на пунктах спеціальної геодезичної мережі при демаркації державного кордону. Загальна кількість пунктів цієї мережі складала 85. Супутникові спостереження були виконані на 17 пунктах ДГМ України 1-го та 2-го класів тривалістю від 1 до 2 діб. Крім спостережень, що проводилися на пунктах ДГМ 1-2 класів, були виконані спостереження на двох пунктах фундаментальної геодезичної мережі України CHER (Чернівці) і VAPN (Вапнярка) та одному пункті Державної геодезичної мережі 0-го класу Республіки Молдова – ОТАС (Отач). Для прив’язки до загальноземної системи координат ITRF2000 до вказаних вище пунктів були долучені дані з перманентної станції GLSV (Київ-Голосіїв).

Для обробки даних спостережень був використаний програмно-технологічний комплекс GAMIT/GLOBK. Вказані вище пункти (CHER, VAPN, ОТАС та GLSV), що є носіями координат системи ITRF2000, було вирішено використати за опорні, тобто провести невільне урівнювання спеціальної геодезичної мережі з фіксуванням координат цих пунктів.

Реалізована методика обробки лінійно-кутових вимірів на пунктах ДГМ в зоні кордону між Україною та Республікою Молдова (підрозділ 3.4) полягає у 1) підготовці результатів спостережень з банку геодезичних даних, який створений у Науково-дослідному інституті геодезії і картографії, суть якої зводиться до переходу від довжин ліній і горизонтальних напрямів, виміряних на фізичній поверхні Землі, до довжин відповідних геодезичних ліній і до напрямів цих ліній на еліпсоїді WGS-84 та у 2) введені результатів супутникових спостережень (координат вихідних пунктів) для урівнювання всієї геодезичної мережі з використанням програмного пакету GeoLab. Оскільки банк геодезичних даних, з якого вибиралися лінійно-кутові виміри, звичайно, не має засобів для введення у них поправок, тому з нашою участю був розроблений універсальний конвертор для імпорту різного роду геодезичних даних з банку даних у програмний пакет GeoLab.

Банк геодезичних даних включає наступні лінійно-кутові параметри спеціальної геодезичної мережі: наближені координати пунктів; виміряні горизонтальні напрями; виміряні вихідні сторони (базиси); виміряні азимути; висоти інструментів і візирних цілей; висоти квазігеоїда і відхилення прямовисних ліній.

За даними, які перелічені вище був створений вихідний файл для програмного пакету GeoLab з метою проведення вирівнювання. При цьому координати пунктів спеціальної геодезичної мережі, на яких були виконані GPS-спостереження, і які були отримані з розв’язку програмно-технологічного комплексу GAMIT/GLOBK в системі ITRF2000, приймалися за вихідні. Після цього відбувалося вирівнювання за методом найменших квадратів.

У процесі програмної реалізації розробленої технології створення координатної основи встановлено, що після обробки супутникових радіонавігаційних спостережень, що були виконані у 2003 році на пунктах геодезичної мережі спеціального призначення, була створена координатна основа, положення пунктів в якій характеризується середньоквадратичними похибками 15-25 мм. Згущення цієї координатної основи було проведено шляхом включення в урівнювання даних лінійно-кутових спостережень, виконаних в різні роки за програмами 1-4 класів та розрядної полігонометрії. Середні квадратичні похибки отриманих із урівнювання координат пунктів знаходяться в межах 30-80 мм.

Для незалежного порівняння та оцінки точності координатної основи нами були відібрані 4 пункти, які не приймали участі у процесі урівнювання (табл. 6).

Таблиця 6

Середні квадратичні похибки координат контрольних пунктів спеціальної геодезичної мережі

№

з/п | GPS ID

пункту | Повна назва та

клас пункту | Різниці в результатах, мм

1 | BORI | Борівка, 1 | 9.9 | -7.3 | -11.5

2 | ANTO | Антопіль, 1 | 26.5 | -11.2 | 36.9

3 | KLOK | Клокушна, 1 | 6.6 | 24.8 | -14.3

4 | DREP | Дрепкауць, 1 | -12.1 | 14.7 | 19.1

Одержані значення розходжень становлять 7-37 мм, що вказує на високу якість створеної координатної основи для виконання геодезичних робіт з демаркації державного кордону України.

Висновки

У дисертації виконано узагальнення експериментальних досліджень, які дозволили розробити методику підвищення точності координатної основи на базі матеріалів раніше виконаних лінійно-кутових вимірювань та супутникових РНС в регіональному та локальному масштабах.

Основні наукові і практичні результати досліджень можна сформулювати так:

·

·

·

·

·

·

·

·

·