СОЗДАНИЕ ВЫСОКОТОЧНЫХ ГОРОДСКИХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Наряду с участием в построении современных государственных опорных геодезических сетей, одними из первых экспериментальных работ, проведенных в центре

«Геодинамика», были работы по созданию городских геодезических сетей.

Первым городом, в котором были выполнены работы по реконструкции геодезической сети, явился Каунас. Тесные контакты специалистов университета со специалистами   Литвы

• Кузмицкас А. (Каунасский ТИСИЗ, директор) и Тамутис З. (Каунасский технический университет, профессор) позволили провести первые экспериментальные измерения. Особенностью данной работы, подчеркивающей ее пионерское значение, явилось то, что впервые специалистами НИЦ «Геодинамика» для проведения работы были собраны все спутниковые приемники концерна Leica, находящиеся в России, – всего 6 станций.

При проектировании и создании реконструированной сети Каунаса были впервые обозначены ключевые моменты построения городских геодезических сетей с использованием спутниковых технологий, которые впоследствии учитывались при проведении других работ:

• сеть  должна  максимально  отвечать  задачам,  стоящим  перед  службами  города,   по

точности, достоверности, оперативности обновления информации;

• полученная в ходе работ по реконструкции сети геодезическая информация должна стать метрологической основой единой геоинформационной системой г. Каунаса;
• геодезическая   информация   должна   быть   совместима   с геодезическими,

фотограмметрическими, картографическими и другими данными, полученными ранее и собираемыми для создания геоинформационной системы города;

• поверхность   относимости   должна  обеспечивать   максимальное  соответствие

картографической информации об объектах, в первую очередь размеров и взаимного положения, их действительному состоянию;

• выбор   поверхности   относимости   должен   отвечать  интересам большинства

организаций, являющихся пользователями геодезических и картографических данных, и быть ориентированным на решение насущных проблем города, в первую очередь проблем, связанных с городским кадастром, экологией, жилищным, промышленным и транспортным строительством;

• при   обработке   сети   наряду   с   материалами   спутниковых   наблюдений   должны

рационально использоваться материалы ранее выполненных высокоточных геодезических работ, в том числе проведенных по традиционной геодезической технологии;

• при создании сети должны быть максимально использованы ранее заложенные и сохранившиеся пункты существующих городской и ведомственной сетей;
• сеть города Каунаса должна иметь связь с региональными сетями и государственной

геодезической сетью страны.

С учетом вышеизложенного реконструкция сети Каунаса проводилась в следующей последовательности:

1. Три пункта городской сети были привязаны к трем пунктами новой исходной геодезической сети страны (Meskonsis, Dainavele и Saseliai).
2. Далее была выполнена привязка этих пунктов к сохранившимся пунктам старой ГГС 1942 года (Piluona, Stumbriske и Singaliai).
3. После чего, с опорой на эти три пункта, были выполнены определения координат

24 пунктов городской геодезической сети.

4. Окончательные значения координат городской геодезической сети были вычислены как в старой системе координат, так и в новой, что обеспечило преемственность геодезических и картографических данных.

Работы по определению координат пунктов геодезической сети г. Каунаса были проведены за три дня: с 26 по 28 июля 1993 г. Время наблюдений составляло на пунктах опорных государственных геодезических сетей – до 4 часов при длинах линий до 50 км; и на пунктах городской геодезической сети – по 1 часу при длинах линий до 10 км. Все измерения производились синхронно.

Многие проблемные вопросы, которые были выявлены по результатам измерений и,  не в последнюю очередь, по результатам обработки материалов в г. Каунас, были учтены при последующих работах по созданию городских геодезических сетей (Челябинск, Иваново, Н. Новгород, Владимир).

При построении сети города Владимир, были максимально учтены преимущества спутниковой технологии, обеспечивающие решение задач, стоящих перед различными службами города. Эту сеть можно по праву отнести к образцовой геодезической сети для небольшого города

Реконструкция городской геодезической сети г. Владимира с помощью высокоточных спутниковых измерений выполнена при участии специалистов НИЦ «Геодинамика» МИИГАиК, Верхневолжского АГП и Владимирского Горкомзема в период с 29.09.97 г. по 05.10.1997 г. Работой – полевой подготовкой, измерениями и обработкой руководил Власов С.С.

Ранее геодезическая сеть г. Владимира, объединяющая триангуляционные и полигонометрические построения разных лет, выполненные различными ведомствами по разным нормативным документам, не удовлетворяла по точности современным и перспективным направлениям развития инфраструктуры города.

Целью выполненных работ было создание высокоточной опорной геодезической сети г. Владимира для обеспечения однородной геодезической основой городского кадастра с точностью взаимного положения пунктов порядка 1-2 см на расстояниях 3-5 км и упорядочения связей между существующими геодезическими сетями (системами координат) на уровне города и района.

За период с июля по сентябрь 1997 г., специалистами НИЦ «Геодинамика» МИИГАиК и Владимирского Горкомзема была проведена работа по подготовке объекта к полевым работам. В общей сложности отрекогносцировано и обследовано более 50 пунктов геодезической сети г. Владимира и области.

Полевые работы по созданию опорной геодезической сети г. Владимира выполнялись  с использованием трех приемников SR 399 и пяти приемников SR 299 (двухчастотные, девятиканальные приемники) спутниковой системы WILD GPS SYSTEM 200/300 (Leica, Швейцария). Средняя квадратическая ошибка измерения базисной линии в режиме Static для данных приемников составляет 5 мм + 1.106 . D, где D – длина базисной линии.

Полевая предварительная обработка результатов спутниковых измерений проведена с помощью пакета программ SKI фирмы Leica. При окончательной обработке материалов использованы программы обработки спутниковых измерений BERNESE и SKI.

Программа построения сети состояла из 2-х этапов:

1. Создание каркаса, включающего пункты 1, 2 классов и наиболее надежные с точки зрения GPS-измерений и конфигурации объекта пункты городской сети.
2. Последовательное заполнение сети синхронными измерениями по секциям.

В течение полевых работ за 6 рабочих дней проведен 21 сеанс спутниковых измерений восемью GPS-станциями:

• 1-й сеанс продолжительностью 9 часов для создания и привязки каркасной сети к

системе EUREF ( 4 станции на пунктах каркаса); в течение данного сеанса   остальные

4 станции осуществляли наращивание каркасной сети

• два синхронных сеанса по 4 часа:

• привязка пунктов 2 класса;

• привязка городских и прилегающих к городу пунктов отвечающих требованиям конфигурации сети и GPS-измерений (без помех);
  • 18 сеансов по 2 часа на пунктах опорной геодезической сети.

Учитывая достаточно высокую плотность проектируемой сети и то обстоятельство, что средние длины измеряемых сторон в заполняющих треугольниках составляли менее 5    –

10 км, была принята двухчасовая продолжительность сеансов синхронных измерений в секциях.

Заполнение опорной сети осуществлялось последовательными сеансами измерений по площади объекта с использованием восьми GPS-станций. В каждом сеансе образовывалась центральная система (секция) с захватом пунктов смежных секций (3-4 пункта) и пунктов каркаса, при этом в каждой секции выполнялись двойные измерения по 2 часа с переустановкой антенны (изменение высоты прибора, повторное центрирование), что обеспечивало контроль и независимые измерения лучевых и замыкающих сторон треугольников. В течение рабочего дня измерения выполнялись на двух секциях последовательно, то есть, после четырех часов работы (2 двухчасовых сеанса) на одной секции, часть станций, согласно расписанию, перемещалась на смежную. По мере последовательного заполнения сети выполнялась повторная установка станций на пункты каркасной сети, что давало избыточные измерения и дополнительный контроль.

Результаты измерений обработаны с помощью программных пакетов SKI и  BERNESE

с использованием точных эфемерид спутников на время измерений.

Этапы обработки:

1. Определение координат пунктов каркаса в международной референцной системе координат ITRF-94 (BERNESE).
2. Обработка базисных линий (SKI).
3. Уравнивание и оценка точности результатов измерений (SKI).

Результаты обработки статистики двойных измерений по объекту:

• количество разностей: N = 181.
• среднее значение стороны: Sср = 5685 м.
• средняя квадратическая ошибка одной базисной линии: ms = 0.006 м.
• средняя квадратическая ошибка уравненного (в данном случае среднего из двух) значения базисной линии: Ms = 0.0042 м.

• относительная ошибка измеренной базисной линии: ms/Sср = 1/950 000.
• относительная ошибка уравненного значения базисной линии: Ms/Sср = 1/ 1 350 000.

Средние расхождения по абсолютным значениям разностей приращений координат

WGS-84 составили:

• по оси X – 6 мм,
• по оси Y – 6 мм,
• по оси Z – 10 мм,
• для измеренных сторон – 6 мм.

Используя полученный опыт в построении городских геодезических сетей, специалисты НИЦ «Геодинамика» совместно с учеными кафедры высшей геодезии по заданию Правительства Москвы выступили в качестве основных исполнителей при создании опорной геодезической сети г. Москвы.

При организации и проведении работ была учтена специфика применения спутниковых измерений в городских условиях, проявляющаяся как в выборе мест расположения пунктов (в основном на крышах зданий), так и учете влияния различных источников ошибок, а также повышенного уровня радиопомех, характерных для крупных городов.

Развитая коллективом сотрудников МИИГАиК сеть охватывает не только территорию города, но и прилегающие к нему регионы. На площади 50 х 50 км было размещено более  220 пунктов.

В процессе выполнения полевых работ было использовано 22 станции, в том    числе 6

станций МИИГАиК. Для участия в работах кафедра высшей геодезии привлекла 2 группы

студентов, заменив им практику по высшей геодезии на геодезическом полигоне. Многие организации также оказали помощь, предоставив спутниковую аппаратуру и специалистов. Всего в проведении работ участвовало одновременно более 50 человек. Достаточно высокий уровень проводимой работы потребовал от всех специалистов центра максимальной собранности. Руководство университета уделяло данной работе постоянное внимание и оказывало помощь. Общее руководство работой осуществлял ректор университета профессор Савиных В.П.; производственными работами руководил Лобазов В.Я.; оперативным решением научных вопросов, включая выбор стратегии измерений, занимались Генике А.А. и заведующий кафедрой высшей геодезии Карпушин Ю.Г.; текущей организацией, планированием и проведением полевых наблюдений – Рыхальский Ю.К.; сбором информации и предварительной ее обработкой – Мещеряков А.М.; оформлением материалов (абрисы, описания пунктов, создание цифровой модели) занималась группа под руководством Ковровой М.Г.

Измерения на пунктах сети производились синхронно, что позволило получить большое количество избыточных измерений, способствующих повышению точности и надежности координатных определений. Все полевые измерения были выполнены в течение двух месяцев.

Последующая обработка результатов наблюдений позволила сделать объективные выводы о том, что относительная точность координатных определений для созданной сети, как в плане, так и по высоте оценивается на уровне лучше, чем одна миллионная.

Основные характерные особенности сети

• опорная геодезическая сеть города включает 222 пункта:
  • 3 исходных пункта – МИИГАиК, Менделеево, Звенигород

• 36 пунктов геодинамической сети;
• 183 пункта – рядовые пункты.

• В процессе наблюдений участвовало до 22 станции GPS.
• Выполнено 36 сеансов наблюдений.
• Продолжительность сеансов 6 часов.
• Связей между пунктами не менее 12.
• Повторные наблюдения выполнены на 67 пунктах.
• Относительная погрешность измерений по повторным наблюдениям линий  составила

1 : 4 700 000.

• Погрешность взаимного положения пунктов сети, полученная по результатам уравнивания сети в системе координат WGS 84 составила 6 мм.

Учитывая уникальность стоящей перед учеными задачи, обработку сети, включая уравнивание, производили различными методами специалисты разных организаций – Максимов В.Г. (29 НИИ МО), Ефимов Г.Н. (МАГП), Мещеряков А.М. и Карпушин Ю.Г. (МИИГАиК).

Результаты работы были высоко оценены Правительством Москвы и геодезической общественностью: Лауреатами высшей геодезической награды – премии имени Ф.Н. Красовского стали четыре сотрудника университета: Савиных В.П., Ямбаев Х.К., Карпушин Ю.Г. и  Лобазов В,Я.

Наряду с опорной геодезической сетью на территории Москвы и в прилегающих к ней регионах   по   инициативе   ученых   университета   была   создана   геодинамическая    сеть,

предназначенная для отслеживания деформационных процессов на территории московского региона.

Построению геодинамической сети г. Москвы, пункты которой должны были обоснованно отражать происходящие деформации поверхности изучаемого региона, предшествовали достаточно детальные геологические и геоморфологические исследования, позволившие идентифицировать зоны трещиноватости и флексурно-разрывные зоны. С учетом расположения этих зон была спроектирована геодинамическая сеть.

Сеть охватывает площадь около 2 000 кв. км и включает в себя около 40 пунктов. С целью выявления активности отдельных участков геологической среды выбранные пункты сети были приурочены к различным структурным зонам. При этом в сеть были включены целый ряд пунктов, достаточно удаленных от зон активного техногенного воздействия на среду. Такой подход позволил более объективно оценить значения возникающих деформаций. Повышенное внимание было уделено центральной части города, подземная часть которой подвержена повышенным антропогенным воздействиям. В этом регионе была увеличена плотность геодинамической сети, и был произведен более тщательный выбор мест расположения пунктов сети.

Высокая потенциальная точность современных спутниковых методов координатных определений создали все предпосылки для организации высокоэффективного геодинамического мониторинга, позволяющего охватывать территории самых различных размеров.

Вместе с тем, для реализации повышенного уровня точности, характерного для геодинамических сетей, были предусмотрены двукратные наблюдения, относящиеся к различным суткам, а также сеансы наблюдений повышенной протяженности. Центрировка устанавливаемой на пунктах аппаратуры осуществлялась с максимальной тщательностью. Кроме того, была доработана методика обработки результатов измерений с тем, чтобы имелась возможность обоснованного отделения показателей, характеризующих смещение каждого конкретного пункта сети, от свойственных спутниковым наблюдениям ошибок измерений.

По завершении полевых работ каждого цикла наблюдений специалистами производилась обработка полученных результатов, позволяющая судить о  смещениях пунктов сети как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали за период наблюдений.

Обобщенный предварительный анализ результатов проведенных полевых спутниковых измерений свидетельствует о том, что смещения пунктов в горизонтальной плоскости носили достаточно случайный характер и оценивались, в большинстве случаев, величинами на уровне нескольких миллиметров. Лишь на отдельных пунктах упомянутые смещения лежали в диапазоне от 10 до 27 мм.

Более интересная картина вырисовалась для вертикальных деформаций. Нетрудно было установить повышенный уровень таких деформаций и определенную региональную закономерность, проявляющуюся через расположение оседаний и поднятий отдельных пунктов. Особое внимание при этом было уделено участку, охватывающему центральную часть города, где были зарегистрированы оседания на уровне единиц сантиметров.

Причинами опускания земной поверхности могли являться изменение уровня подземных вод и образование региональных депрессионных воронок, огромное давление на грунт, оказываемое находящимися на территории Москвы 39 000 жилых зданий и 2 800 промышленных объектов, а также особенности современного тектонического процесса, характерного для данного региона.

Первые три года (1996 – 1998 гг.) наблюдения на пунктах геодинамической  сети города производились два раза в год, с 1999 года – один раз в год. Такая периодичность наблюдений, как показали результаты наблюдений, достаточна для геодинамической оценки деформационных процессов, протекающих в регионе.

Полученный опыт создания городских геодезических сетей был многократно использован при создании опорных и городских геодезических сетей в других городах России.

Так одним из наиболее удачных проектов центра «Геодинамика», в котором был обобщен весь предыдущий опыт построения городских сетей, явилась опорная городская и геодинамическая сеть г. Красноярск.

Согласно Техническому заданию, в Красноярске предусматривалось создание обновленной городской геодезической сети, которая по всем основным техническим характеристикам должна была отвечать требованиям заинтересованных организаций, обеспечивающих эксплуатацию и дальнейшее развитие всего городского хозяйства. Кроме того, такая сеть должна была органически вписываться в государственную опорную геодезическую сеть, которая создается в настоящее время современными спутниковыми методами. Наряду с этим учитывался и тот факт, что г. Красноярск расположен в регионе с повышенной сейсмической активностью. Возникающие за счет сейсмических и техногенных воздействий деформации земной поверхности могли быть причиной серьезных разрушений различных городских объектов. С учетом этого реконструируемая сеть должна была быть адаптирована к созданию на её основе высокоточного геодинамического мониторинга, позволяющего отслеживать возникающие деформации приповерхностных геологических структур.

Перечисленные выше требования нашли своё отражение в Концепции, и Техническом проекте реконструкции ГГСК. Эти требования приняты в качестве отправных при разработке общей  принципиальной  схемы  ГГСК,  выполнении  предсъёмочных  работ,  организации   и