Эффект трассирования для навигации


Содержание

Иллюстрированный самоучитель по Maya 6

Выбор визуализатора

Выбор визуализатора в Maya осуществляется в окне диалога Render Global Settings (Общие параметры визуализации). Хотя чаще всего пользователи работают со стандартным программным визуализатором, наличие прочих методов дает вам возможность выбирать вид итогового изображения.

Maya Software

По умолчанию визуализация происходит с помощью алгоритма Maya Software (Программный визуализатор), который позволяет зафиксировать все особенности сцены, от отражений до размывания в движении и прозрачности объектов. Именно он применялся для визуализации практически всех проектов из данной книги. Существуют различные методы работы с ним.

Включение трассирования

Трассирование, с которым вы познакомились в предыдущей главе, используется для воспроизведения двух оптических эффектов, которые нельзя создать с помощью стандартного визуализатора с настройками по умолчанию. Трассирование представляет собой процесс отслеживания пути световых лучей от источника света до каждого объекта, а затем отслеживания пути отраженных лучей света от объекта до объектива камеры. Таким способом формируются эффекты отражения и преломления, а также тени с высокой детализацией, с которыми вы также познакомились в предыдущей главе.

Создавать трассированные тени, как правило, нецелесообразно, так как сопоставимого уровня качества можно достичь с помощью карт глубины, вдобавок значительно сократив время визуализации.Истинные отражения возникают в случаях, когда в отражающей поверхности появляется изображение расположенных перед ней объектов. В главе 7 вы узнали, что получить имитацию отражений можно с помощью карты отражения, но истинные отражения создают только трассированием.

Для их получения требуется включить процесс трассирования, установив флажок Raytracing (Трассировка лучей) в разделе Raytracing Quality (Качество трассирования) вкладки Maya Software (Программный визуализатор) окна диалога Render Global Settings (Общие параметры визуализации). Но если для создания трассированных теней вам требуется запустить процесс их формирования, установив соответствующий флажок в окне диалога Attribute Editor (Редактор атрибутов) для выделенного источника света, то получаемые методом трассирования отражения ничего подобного не требуют.

После включения трассирования на поверхности отражающих объектов появится изображение окружающей обстановки. Это касается и объектов, поверхностям которых назначены карты отражения. Более подробную информацию об этом вы получите немного позже.

Преломление световых лучей возникает при пересечении границы сред с различной плотностью. Например, если опустить карандаш в стакан с водой, появится ощущение, что карандаш сломан. Отражающиеся от поверхности карандаша лучи слегка меняют направление распространения при переходе из воды в воздух. В результате изображение карандаша под водой слегка смещается и возникает впечатление его излома.

Качество изображения

Качество визуализации стандартным программным визуализатором в наибольшей степени зависит от настроек сглаживания. Сглаживанием называется «смазывание» соседних пикселов, позволяющее избежать ступенчатого эффекта на диагональных линиях. Увеличение этого параметра делает линии изображения более плавными. В окне диалога Render Global Settings (Общие параметры визуализации) вы можете выбирать из набора предустановленных параметров, отвечающих за качество итогового изображения:

  1. Убедитесь в том, что в раскрывающемся списке Render Using (Визуализировать с помощью) в верхней части окна диалога Render Global Settings (Общие параметры визуализации) выбран вариант Maya Software (Программный визуализатор), и перейдите на вкладку Maya Software (Программный визуализатор).
  2. В раскрывающемся списке Quality (Качество) раздела Anti-aliasing Quality (Качество сглаживания) выберите вариант Production Quality (Качество фильма) или Preview Quality (Эскизное качество).

На рис. 11.4 показано изображение, визуализированное сначала с эскизным качеством, а потом с качеством фильма.

Рис. 11.4. Ступенчатый эффект по краям объектов (слева) возник при визуализации с эскизным качеством. После улучшения качества изображения (справа) этот эффект исчезает

Разумеется, чем выше качество изображения, тем больше времени займет визуализация сцены. По мере накопления опыта вы научитесь находить баланс между качеством и временем визуализации.

2. Причины замедления визуализации

Вы уже имели возможность убедиться, что скорость визуализации предсказать сложно. От завершения работы над сценой и указания параметров визуализации до получения готового фильма проходит от нескольких минут до нескольких часов. Сложность сцены напрямую связана со временем визуализации, поэтому сцена с тысячами объектов и дюжиной источников света будет визуализироваться намного медленнее, чем сцена с несколькими объектами и парой источников света. Но иногда визуализация даже простых сцен может занять изрядное количество времени. Что делать, если спустя день вы обнаружили, что, несмотря на кажущуюся простоту сцены, готовы всего несколько кадров? Ниже мы изложим несколько возможных причин такого поведения визуализатора.

Общие параметры визуализации
Разрешение. Чем выше разрешение изображения, тем больше времени занимает процесс визуализации. Если изображение с разрешением 320×240 готово через 10 минут, значит, визуализация изображения с разрешением 640×480 займет 40 минут, потому что число пикселов увеличилось в четыре раза. То есть удваивание размера увеличивает число пикселов и время визуализации в четыре раза.
Качество сглаживания. Если в итоговом изображении у объектов или эффектов отражения появились ступенчатые края, значит, необходимо увеличить качество сглаживания. Но это приводит к резкому замедлению работы визуализатора. Обычно тестовые визуализации проводятся при низких значениях параметра Anti-aliasing Quality (Качество сглаживания), а для получения итогового изображения ‘его повышают. Если вы используете в сцене карту глубины для формирования теней, для получения размытых теней увеличьте параметр Dmap Resolution (Разрешение карты глубины), а если вам необходимо получить размытые тени, используйте параметр Dmap Filter Size (Размер фильтра карты глубины). Это оказывает меньшее влияние на уменьшение скорости визуализации.
Трассированные тени. Тени этого типа имеют самые резкие края, но при этом появление их в сцене приводит к значительному снижению скорости визуализа-ции. Это становится особенно заметным, когда свет проходит через большое число мелких, перекрывающихся объектов, например сквозь листья дерева.
Трассирование. Окно диалога Render Globals (Общие параметры визуализации) содержит флажок, установка которого приводит к включению эффектов трассирования в сцене, необходимому для визуализации эффектов отражения и преломления. Снижение скорости этого процесса становится особенно заметным при наличии в сцене большого числа отражающих и преломляющих объектов. Например, при визуализации сцены с зеркальным залом луч света будет много раз отражаться от различных пикселов сцены, прежде чем приобретет свой итоговый цвет. Подобный же эффект будет наблюдаться в случае пирамиды из преломляющих свет винных бокалов. В этом случае обычно вам понадобится сделать глубину отражений достаточно высокой, потому что пикселы, для окрашивания которых требуется большее число отражений, чем задано параметром Ray Depth Limit (Предел глубины луча), будут иметь фиксированный цвет (по умолчанию черный).
Размывание в движении. Этот параметр используется, если требуется имитировать размывание изображения при быстром движении объектов. При создании анимации, в которой некоторые объекты быстро движутся в поле зрения камеры, необходимо использовать размывание в движении, чтобы убрать стробоскопический эффект. Двумерное размывание в движении представляет собой применяемый к готовому изображению сложный фильтр, действие которого сводится к размазыванию пикселов. Обычно он не вызывает сильного замедления визуализации, чего нельзя сказать о трехмерном размывании в движении. Впрочем, последнее приводит к появлению намного более реалистичного эффекта.

Параметры объектов
Поверхности объектов, полученных на основе NURBS-кривых, необходимо разбить на полигоны, прежде чем приступать к их визуализации. При этом величина разбиения является настраиваемой. Если сделать ее слишком высокой, время визуализации возрастет. В предельных случаях может просто не хватить оперативной памяти. Хорошей привычкой является проверять уровень разбиения, если вы изменяли заданные по умолчанию установки. Это можно сделать в окне диалога Attribute Editor (Редактор атрибутов) на вкладке формы объекта. Установите флажок Display Render Tesselation (Показывать разбиение визуализации), чтобы иметь возможность в интерактивном режиме наблюдать результаты разбиения в окне проекции по мере изменения параметров.

Типы материалов
В Maya существует пять объемных материалов, назначаемых эффектам: EnvFog (Туман), LightFog (Светящийся туман), Particle Cloud (Облако частиц), Volume Fog (Объемный туман) и Volume Shader (Объемная раскраска). Их применение обычно приводит к замедлению процесса визуализации. Если, например, поместить объемный туман вокруг объектива камеры, каждый пиксел сцены будет визуализироваться с учетом данного эффекта, в результате чего получение итогового изображения займет намного больше времени.

Эффекты камеры
При визуализации в обычном режиме все объекты находятся в фокусе камеры. Но можно сделать так, чтобы в фокусе были только объекты, расположенные на определенном расстоянии от камеры. Этот эффект называется Depth of Blur (Глубина резкости). Его увеличение приводит к замедлению процесса визуализации.

Линейное трассирование местности

Изыскания трасс линейных сооружений и объектов

Линейным трассированием называют комплекс работ по проектированию трассы с обоснованием ее расположения на местности с экономической и инженерно-технической точки зрения. Трассой линейного объекта в геодезических изысканиях называют ось, обозначенную на топографической карте.

В геодезии рассматривают две основных составляющих проекта:

  1. план трассы (проекция на горизонтальную плоскость)
  2. продольный профиль (разрез по вертикали)

План – это прямые отрезки с разными углами наклона, соединенные дугообразными кривыми.

Трасса линейного сооружения — что это такое

В идеале трасса должна представлять прямую линию, не имеющую угловых отклонений и поворотов. Увеличение расстояния между конечными и промежуточными пунктами магистральной линии являются причиной превышения запланированных капитальных вложений в строительство и
эксплуатацию.

В практической деятельности нередко получается так, что планы двух проекций не совпадают, а для того, чтобы устранить нестыковки, общий план корректируется – это и приводит к появлению «кривизны» на линии трассы.

На карте трассирования обозначаются участки с неблагоприятной геологией, перепадами рельефа и другими природными барьерами.

В отношении некоторых видов линейных коммуникаций допустимый уклон ограничен. Это трубы, канальные траншеи и другие объекты, размечаемые по высоте. Главной же задачей при прокладке магистрали на участке, где расположены линейные сооружения (например, линии энергоснабжения и водозабора) является создание кратчайшего расстояния, где уклон, практически, не принимается во внимание, а разметка производится по азимутальным параметрам.

По смешанной методике (то есть, по высоте и по азимуту) в геодезии намечаются объекты с ограничениями по уклону, а также по соотношению прямых участков и поворотов (это автодороги, железнодорожные магистрали, линии судоходства).

Линейные трассы: порядок выполнения работ

В первую очередь собирается материал по прокладке линии – это координаты для выноса поворотных углов или промежуточных точек на трассе, элементы линейной (угловой) засечки, расстояние от границ местности до створных точек трассы. Проще говоря вынос трассы линейного сооружения в натуру.

Второй этап – полевые работы или полевое трассирование. За основу принимаются топографические данные, взятые из карт и разбивочных планов.

Далее, следует разбивка пикетажа. Пикеты (отметки, соединяющие участки определенной длины) фиксируют на местности – для их обозначения забивается колышек вровень с землей. На расстоянии 25 см от пикета (обозначение ПК) устанавливается вторая, возвышающаяся над землей отметка (сторожок).

Необходимо также указать расположение плюсовых точек, которые обозначают перепады рельефа, и контурных координат, указывающих на наличие сооружений, встречающихся по ходу прокладки трассы (например, гидротехнические строения). На участках с поперечным уклоном разбивают в обе стороны трассы поперечники – перпендикуляры к плюсовым точкам и пикетам.

Привязка магистральных ходов линейных объектов к геодезической сети, находящейся в введении государства, выполняется в соответствии с положениями, изложенными в п. 5.6 СП 11-104-97. Составленный геодезистами отчет дает возможность начать проектирование линейного сооружения.

Опытные инженеры ООО «ГСС специализируются на комплексном выполнении работ по трассированию линейных объектов, начиная от сбора исходного материала и заканчивая регистрацией документов. Высокая квалификация, ответственность и наличие собственной технической базы – гарантия оперативного и технически грамотного выполнения заказа.

Принципы трассирования

Читайте также:

  1. II. Общие принципы иммунодиагностики инфекционных заболеваний
  2. Аналитическая психология: основные концепции и принципы
  3. Базовые принципы интерпретации
  4. Бессознательное в психоанализе. Принципы работы бессознательного.
  5. ВАЖНЕЙШИЕ ПРИНЦИПЫ КОМПОЗИЦИИ АНКЕТЫ
  6. Важность проповеди и ее принципы 1 страница
  7. Важность проповеди и ее принципы 2 страница
  8. Важность проповеди и ее принципы 3 страница
  9. Важность проповеди и ее принципы 4 страница
  10. Виды и принципы организации психологической коррекции
  11. Виды и принципы планирования
  12. Виды, функции и принципы юридической ответственности

Традиционный принцип трассирования автомобильных дорог, который можно назвать принципом «тангенциального трассирования»,состоит в том, что на план либо карту наносят с помощью линейки ломаный (тангенциальный) ход, в изломы которого вписывают круговые кривые либо круговые кривые со вспомогательными переходными. Минимальные радиусы закруглений принимают не менее значений, определяемых действующими нормативами для автомобильных дорог соответствующих категорий.

Основной недостаток принципа «тангенциального трассирования»состоит в том, что магистральный ход, укладываемый сообразно рельефу и ситуации, во многом определяет положение самой трассы автомобильной дороги в плане (рис. 9.4, а).

Рис. 9.4. Трасса автомобильной дороги, запроектированная методами:
а — «тангенциального трассирования»; б — «гибкой линейки»

Это обстоятельство почти всегда приводит к получению негибкой пространственной линии автомобильной дороги с невыдержанными принципами обеспечения зрительной ясности и плавности трассы, которая, в частности, нередко характеризуется наличием длинных прямых и коротких круговых кривых минимальных радиусов, наличием закруглений за переломами продольного профиля, повышенными объемами земляных работ, повышенной аварийностью и т.д. Принцип «тангенциального трассирования»применим лишь на некоторых участках трассы в случаях, когда направления трассы, определяющие углы поворота, жестко фиксированы ситуационными условиями (например, в населенных пунктах или в некоторых случаях при реконструкции). В остальных случаях свободного трассирования принцип «тангенциального трассирования» использовать не следует ни при ручном, ни тем более при автоматизированном проектировании.

Принцип «гибкой линейки» существенно отличен от идеи «тангенциального трассирования»и является основой автоматизированного проектирования плана автомобильных дорог. Суть принципа «гибкой линейки» состоит в том, что на крупномасштабном плане либо карте, сообразуясь с рельефом и ситуацией, вписывают плавную линию от руки или с помощью специальной гибкой линейки — сплайна (рис. 9.4, б). При этом положение магистрального хода — углы поворота, положение их вершин, а также параметры закруглений определяются трассой автомобильной дороги, уложенной в рельеф и ситуацию, а не наоборот, как это принято при тангенциальном трассировании.

Принцип «гибкой линейки»с успехом используют и при неавтоматизированном проектировании, когда закругления трассы представлены лишь в виде обычных круговых кривых либо круговых кривых со вспомогательными переходными. Для этого по плавной эскизной линии трассы автомобильной дороги устанавливают положение магистрального хода, измеряют углы поворота q и по масштабу значения биссектрис Б на закруглениях. По известным значениям q и Б определяют радиусы закруглений с последующим их округлением до кратных значений (9.1):

Принцип «гибкой линейки» является фундаментальной основой определения положения клотоидных трасс автомобильных дорог, обеспечивающих их наибольшую зрительную плавность и ясность, уровни удобства и безопасность движения и т.д. Укладку и расчет клотоидной трассы осуществляют по крупномасштабным планам как вручную с использованием прозрачных шаблонов клотоид и круговых кривых, так иавтоматизированно на компьютерах.

Получившие распространение методы автоматизированного проектирования плана автомобильных дорог,базирующиеся на принципе «гибкой линейки»(например, «однозначно определенной оси»или «сглаживания эскизной линии»)различаются, главным образом, способами аппроксимации эскизной трассы, однако врезультате автоматизированной увязки план дороги в конечном итоге представляется сочетанием обычных элементов клотоидной трассы: клотоидами, отрезками клотоид, круговыми кривыми и прямыми.

9.4. Цели и задачи ландшафтного проектирования*

Ландшафтным проектированиемназывают трассирование дорог на местности, обеспечивающее плавность сопряжения между собой элементов автомобильных дорог и гармоничное сопряжение самой дороги с окружающим ландшафтом. При этом к элементам дорожного ландшафта относят формы рельефа местности, растительный покров, водные и заболоченные поверхности, а также возникшие в результате деятельности человека сельскохозяйственные угодья, лесные разработки и горные выработки, населенные пункты и промышленные предприятия. Цель ландшафтного проектирования — создание трассы, которая обеспечивает высокие транспортно-эксплуатационные качества дороги, удобство и безопасность движения, не утомительна для водителей и пассажиров, способствует сохранению цельного и живописного ландшафта.

* (Разд. 9.4 — 9.7 подготовлены с использованием материалов проф. В.Ф. Бабкова.

Современная автомобильная дорога является местом работы и отдыха многих тысяч людей и должна удовлетворять не только техническим, но и эстетическим требованиям. Установлено, что дорога с пространственно плавной трассой, хорошо сочетающаяся с ландшафтом, менее утомительна для водителей, обеспечивает меньший риск дорожных происшествий и обеспечивает экономичность перевозок.

Ландшафтное проектирование автомобильных дорог в наибольшей степени обеспечивает возможность выполнения требований, вытекающих из принятых в Российской Федерации законов об охране природы и землепользовании. Оно дает возможность строить дороги, не только не нарушая сложившихся природных ландшафтов, но и способствовать их украшению и повышению плодородности. Ландшафтное проектирование дорог, как правило, обеспечивает снижение строительной стоимости и приведенных затрат за счет уменьшения объемов строительных работ и снижения транспортно-эксплуатационных расходов. Для автомагистралей и автомобильных дорог I категорий это достигается, в частности, ступенчатым расположением земляного полотна на косогорных участках, для дорог более низких категорий — снижением рабочих отметок в результате плавного вписывания трассы дороги в конкретные формы рельефа.

Удовлетворение эстетическим критериям при ландшафтном проектировании не является самоцелью, оно способствует, прежде всего, наилучшему удовлетворению функциональных требований к дороге.

Не следует считать, что обязательность соблюдения принципов ландшафтного проектирования относится только к проектам новых дорог высших категорий. При интенсивной автомобилизации страны и быстром росте грузо- и пассажиропотоков на дорогах необходимо уже при строительстве новой дороги предвидеть пути ее последующей реконструкции. Опыт показывает, что полоса местности, прилегающая к дороге, быстро застраивается, засаживается ценными культурами, и даже минимальные последующие исправления трассы оказываются затруднительными или невозможными. Поэтому для дорог любых категорий следует исходить из рекомендуемых нормативными документами значений параметров плана и продольного профиля и соблюдать требования ландшафтного проектирования.

Ландшафтное проектирование автомобильных дорог включает в себя ряд совместно решаемых задач:

соблюдение требований к плавному сочетанию между собой элементов трассы в целях обеспечения высоких уровней удобства и безопасности движения автомобилей с высокими скоростями;

обеспечение «зрительного ориентирования» водителя — ясности в направлении дороги на достаточно больших расстояниях и даже за пределами фактической видимости, чтобы при движении водитель не мог встретиться с неожиданным для себя изменением дорожных условий, требующим резкого изменения режима движения. Видимые участки дороги и придорожной полосы должны заблаговременно подсказывать водителю изменения направления движения за пределами фактической видимости;

проложение трассы дороги и назначение ее элементов таким образом, чтобы не возникали зрительные искажения вида отдельных участков в перспективе и у водителя не создавалось бы впечатления, что впереди имеются необоснованно крутые изломы дороги;

обеспечение плавного вписывания дороги в ландшафт местности для повышения удобства движения, лучшего раскрытия перед участниками движения красоты природы, устранения нарушений дорогой закономерностей сложившегося придорожного ландшафта, соблюдение требований охраны окружающей среды;

сохранение исторических и культурных памятников, ценных сельскохозяйственных угодий, сведение к минимуму вредного воздействия дороги на окружающую среду;

дополнение и улучшение природного ландшафта посадками деревьев и кустарников на придорожной полосе, планировочными и осушительными работами, созданием водоемов, раскрытием или маскировкой вида с дороги отдельных участков ландшафта. Для этой цели на дорогах высоких категорий, как правило, с большой долей легкового движения, производят разреживание леса или срезку откосов выемок, закрывающих красивые виды (рис. 9.5), а также маскировку растительными посадками некрасивых выработок или больших обнаженных откосов (рис. 9.6 и 9.7).

Рис. 9.5. Расчистка леса для раскрытия вида на памятник архитектуры

Рис. 9.6. Маскировка грунтового карьера посадкой деревьев:
а — придорожная полоса после строительства дороги; б — после декоративных посадок

Рис. 9.7. Способы маскировки высоких обнаженных откосов насыпей и выемок растительными посадками:
а — некрасивый обнаженный откос выемки; б — посадка на откосе деревьев и кустарников; в — посадка вдоль дороги высокорослых деревьев; г — уменьшение видимой высоты откоса устройством бермы и засаживанием части откоса, расположенного выше бермы деревьями и кустарниками; д — то же, с устройством на откосе нескольких берм

Первые три пункта направлены на обеспечение плавности и психологической ясности дороги для водителей («внутренняя гармоничность трассы»).

Два последующих преследуют цель согласования дороги с придорожной полосой («внешняя гармоничность трассы»).

При решении всех этих задач должны соблюдаться требования действующих нормативных документов.

Ведущим в процессе ландшафтного проектирования является инженер-дорожник — автор проекта. При сравнении возможных вариантов дороги и уточнении проектных решений отдельных ее участков желательно также участие архитектора, оценивающего их с точки зрения удовлетворения эстетическим критериям и дающего советы в отношении осуществления лучшей увязки дороги с ландшафтом и архитектурной композицией придорожной полосы. При этом дорога со всеми ее элементами (трасса, искусственные сооружения, придорожные постройки, обстановка пути, снегозащитные и декоративные посадки) должна рассматриваться как единый архитектурный ансамбль, который должен обладать определенным единством.

Попытки улучшения неудачно запроектированной дороги средствами ландшафтной архитектуры, в первую очередь маскирующими декоративными посадками, как правило, обречены на неудачу и сводятся к украшательству.

Дата добавления: 2015-06-04 ; Просмотров: 1538 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

ГКИНП 02-262-02 Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ
РОССИИ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ, КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ИНСТРУКЦИИ
НОРМЫ И ПРАВИЛА

ИНСТРУКЦИЯ
ПО РАЗВИТИЮ СЪЕМОЧНОГО
ОБОСНОВАНИЯ И СЪЕМКЕ
СИТУАЦИИ И РЕЛЬЕФА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫ
Х СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМ ГЛОН АСС И
GPS

Обязательны д л я исполнения всеми субъектами
геодезической и картографической деятельности

Разра б от чикЦентраль н ый ордена «З н ак Почета» научноисследовательский инст и ту т геодез и и , аэр о съемки и к артографии им. Ф. Н . К расовс кого .

В настоящем нормативнотехническом акте о п исан п орядок производства работ по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуац ии и рельефа с помощью аппаратуры глобальных навигац ион ных спутниковых систем. Р ассмотрен ы : порядок проведения проектирова ния , рекогносц ировки, производства спутниковых определений ра зл и чны ми методами и даны общие рекомендации по пр едварительной вычислительной обработке.

Введение

1 .1 . Наст о ящи й нормативно-т ехни ческий акт (НТА ) «Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационн ых спутниковых систем ГЛОН АСС и GPS » (далее — Ин ст рукция) разработан с соблюден ием требований «Инструкции о порядке разработки и утверждения нормативно-технических и методических актов на производство топог раф о-геодези чески х и картографических работ на территории Российской Федерации» ([ 14]) и по классификации, цели, назначению, форме и содержанию соответствует виду НТ А «инструкция».

1 .1 .1 . И н струкци я разработана в соответствии с действующи ми «Основными п оложен иями по созданию топографических планов масштабов 1 :5000 , 1:2000, 1 :1000 , 1 :500 » ([ 1]), «Основн ыми положен иями по создани ю и обновлению топографических карт масштабов 1 :1000 , 1:2000 , 1 :5000 , 1:10000 , 1:25000, 1:50000 , 1:100000 » ([ 2]) и «Осн овными положениями по выбору масштаба и высоты сечения рельефа топографических съёмок населённых пунктов» ([ 3]) (далее эти НТА — Основные положен ия). Она д ополняет нормативно-техническую базу, регламентирующ ую создани е съёмочного обоснования и производст во топ ографически х съёмок круп ных масштабов, в части применения аппаратуры глобальн ых навигационных спутниковых систем Г ЛОНАСС/ GPS (далее — спутниковой аппаратуры) для производства названных видов работ.

1 .1 .2 . При рассмотрении вопросов , не относящихся непосредственно к сп утниковой технологи и развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа, а являющихся общими для т опосъём очны х работ, в инструкции использованы нормативные п оложения, содержащиеся в действующих НТ А «инструкция п о топ ографическим съёмкам в масштабах 1:10000 и 1 :25000 полевые работы» ([ 10]) и «инструкц ия по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000 , 1:1000 и 1:500 » ([ 11]).

Рассмотре н ие же спутниковой технологии развития съёмочн ого обоснования и съёмки ситуации и рельефа осуществлено с опорой на эксплуатационную документацию спутн иковой аппаратуры различных типов и прилагаемого к ней программн ого обеспечения. При этом Инструкция н е заменяет эксплуатационных документов и не содержит имеющихся в них указаний по порядку подготовки и ведения работ с аппаратурой конкретных типов и программными пакетами.

1 .2 . При обеспечении съёмок масштаба 1 :10000 спутниковая техн ология может быть применена для развития съёмочного обоснования (планово-высотной привязки оп ознак ов). При съёмках масштабов 1:5000 , 1:2000 , 1:1000 и 1:500 (далее — крупномасштабных съёмках) эта технология может быть применена как для развития съёмочного обоснования, так и для съёмки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5 ,0 ; 2 ,5 ; 2 ,0 ; 1 ,0 ; 0 ,5 м.

1 .3 . В Инструкции для видов полевых работ развитие съёмочного обоснования и съёмка ситуации и рельефа с необходимой полнотой и детализацией рассмотрены все технологические процессы, обеспечивающие возможность производства этих работ с применением глобальных на ви гационных спутник овы х систем. Эти материалы изложены в раз делах «2 Общая часть», «3 Н азн ачение и содержание топог рафических планов, создаваемых с применением глобальных навигационн ых спутниковых систем», «4 Общие требования к проектированию и сбору топог раф о-г еод езических материалов для проведения съ ёмочных работ с применением глобальных навигационных спутниковых систем», «5 Основные принципы и положения спутниковой технологии выполнения съёмочных работ», «6 Съёмочное обоснование», «7 Съёмка ситу ации и рельефа». Заключительная часть Инструкции включает приложения и список литератур ы.

1.4 . В разделах 2, 3 и 4 рассмотрена исходная нормативно-техническая база и вопросы проведения работ, предшествующих производству собственно полевых геодезических измерений, общие по отношению к рассматриваемым видам топосъёмоч ны х работ — развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа.

1 .5 . В разделе 5 даны материалы, отражающие основные понятия и принципы спутниковой технологии и её приме н ения для решения задач крупномасштабных топографических съёмок. Здесь изложены:

· ис п ользуемые пон ятия и термины;

· краткие сведения о системах ГЛО Н АСС и GPS , методах и режимах спутниковых определений;

· структура радиосигнала и факторы, влияющие на его прохождение;

· влияние конфигурации спутникового созве з дия на томн ость спутниковых определений и фактор понижения точности ( DOP ) ;

· понятие о методах от н осительн ых спутниковых определений;

· ос н овные технич еские требования, предъявляемые к приёмникам, используемым для развития съёмочного об основания и съёмки ситуации и рельефа;

· порядок проверки готов н ости аппаратуры и исполнит елей к проведению работ на объекте;

· указания по прог н озированию спутникового созвезди я;

· общие указания по выполнению с путник овы х определен ий.

Эти материалы служат как для общего оз н акомления с осн овными элементами спутниковой технологии ведения работ, так и, в ряде случаев, в качестве указаний по производству работ, общих для развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа.

1.6 . В разделе 6 изложено проектирование и все этапы пол е вых работ по развитию съёмочного обоснован ия с применением спутниковой технологии: рекогносцировка, п редварительная подготовка к производству полевых работ и и х проведени е, даны общие ре комендации по вычислит ельной обработке. В подразделе «Указания по прое ктировани ю съёмочного обоснования» изложен порядок выполнения проектирования и рассмотрены все основные этапы использования спутниковой технологии для решения рассматриваемой т опографо-геодези ческой задачи. В подраз д е лах, касающихся пров едения рекогносцировки, предварительной подготовки к полевым работам и порядка их пров едения, главное внимание уделено рассмотрению специ фики ведения н азванных работ при применении спутниковой технологии. Рекомендации по вычислительной обработке охв атывают этап вычислений, завершающий полевые работы. Целью э того этапа, как обычно, является получение каталога координ ат и высот пунктов съёмочного обоснования. В заключении этого раздела изложен порядок оформления и представления отчётных материалов по результатам создания съёмочного обоснования.

1 .7 . Раздел 7, касающийся применения спутниковой технологии для съёмки ситуации и рельефа , подготовлен и включён в Инструкцию для тех случаев топографо-г еодези ческ ой практики, когда проведение таких работ с использованием данной технологии т ехник о-эк он оми чески оправдано. Техническая возможность ведения таких работ открывается там, где имеющиеся на местности естественные и искусственно созданные объекты допускают выполнение спутниковых наблюдений.

Основное преимущество проведения съёмки ситуации и рельефа с применением спутниковой технологии заключается в том, что при её осуществлении отпадает необходимость создания геодезических сетей сгущения, создания съёмоч н ого обоснования и его сгущения, поскольку методы спутни ковых определени й по дальности и точности принци пиально обеспечивают возможность проведения съёмочных работ непосредственно на основе государственной геодезической и нивелирной сети, имеющей плотность по п. 2.22 настоящей Инструкции.

В разделе и з ложены все необходимые аспекты прои зводства работ по съёмке ситуа ции и рельефа с применением спутниковой технологии, включая проектирование работ, рекогносцировку, производство работ и даны рекомен дации по полной камеральной обработке материалов съёмки, включающей: проверку полевых журналов и составление подробной схемы привязки, вычисление координат и высот всех пикетов, н акладку точек геодезической осн овы и пикетных точек, проведение горизонталей и нанес ен ие ситуации, и кон тролю съёмки.

1 .8 . В заключ ит ельн ой част и Инструкция содержит 10 приложений, представляющих собой в основном справочные материалы, касающи еся ведения съёмочн ых работ с применением сп утниковой технологии и оформлен ия документации, а также список литературы.

2. Общая часть

2 .1 . Н астоящая Инструкция детализирует технически е требовани я Основных положен ий [ 1, 2, 3] и конкретизи рует техн ологические схемы производства работ по создани ю съёмочного обоснован ия и съёмке с итуации и рельефа с при ме нен ием глобальных навигационн ых сп утн иковых систем. Инструкция определяет назн ачение работ; п орядок выбора: систем координат и высот, картографичес ких проекций, масштабов топографических съёмок, сечения рельефа; устанавливает технические т ребования к точности, сп особам, методам и технологиям (методикам) производства работ; определяет средства и методы измерений; у станавли вает требования к математической обработке рез ультатов из мерений и качеству работ, определ яет п орядок кон троля и приёмки работ, каталогизации и оформления материалов .

2 .2 . В общем случае для развития съёмочного обоснования приме н ение спутниковой технологии (аппаратуры и методов) не имеет существенных ограничений, п оскольку точность этой технологии удовлетворяет предъявляемым требованиям, а при выборе местоположения пунктов съёмочной сети почти всегда лег ко обеспечить возможность беспрепятственного проведения спутниковых н аблюдений. Поэтому для масштабн ого ряда 1 :10000 , 1 :5000 . 1:2000 , 1:1000 и 1:500 развитие съёмочного обоснования может п роводиться спутниковой аппаратурой и методами.

2 .3 . Пр и обеспечении съёмок масштаба 1 :10000 спутн иковая технологи я може т б ыть при менена для развития съёмочного обосн ован ия (планово-высотной при вязки оп озн аков). При крупномасштабных съёмках эта технология может быть применена как для развити я съёмочного обоснования, так и для съёмки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5 ,0 ; 2 ,5 ; 2 ,0 ; 1,0 ; 0 ,5 м.

2 .4 . Ре з ультатом съёмки ситуации и рельефа являются топографические п ланы масштабов 1 :5000 , 1 :2000 , 1:1000 и 1:500 (далее — планы).

2 .5 . Т оп огр афи чески е план ы могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.

2 .6 . Топографический план в графическом виде выполняют на чертёжной основе. Чертёжные основы должны иметь малую деформацию и изготавливаться из прозрачных пластических материалов (плёнок) или чертёжной бумаги высокого качества (фотобумаги), закреплённых на жёсткой основе.

2 .7 . При созда н ии топ ографи ческого плана необходимо п рименять действующие «Условн ые знаки для топографических планов масштабов 1:5000 , 1:2000 , 1:1000 и 1:500» ([ 4]) (далее — Условные знаки) с учётом указаний Роскартографии или ее территориальных инспе кций Государствен ного геодез ического надзора относительно особенностей их применения и рекомен даций инструкции [ 11].

2 .8 . На топографических планах , как правило, изображают все объекты и контуры местности, элементы рельефа, предусмотренные действующими Условными знаками.

2 .9 . Для решения отдельных отраслевых (ведомственных) задач можно создавать специализированные топографические планы.

Технические требования к специализированным топографическим планам изложены в ведомственных инструкциях, согласованных с Рос к арт ографией .

Требования, не предусмотрен н ые такими ин струкциями или общеобязательными НТ А Роскартографии, могут допускаться лишь в порядке исключения по согласованию с органами Государственного геодезического надзора Роскартографии.

При создании специализированных топографических планов допускается отображение на плане только части сит уа ц ии местности, применение нестандартных сеч ени й рельефа, снижение или, наоборот, повышение требований к точности изображения контуров и рельефа местности.

На специа л изированном топографическом плане в з арамочн ом оформлении должно быть указано назначение плана, метод (например, «Топографический план нефтепровода, спутниковая технология») и точность съёмки.

2 .10 . При съёмке ситуации и рельефа выбор местоположе н ия пикета определяют, исходя из требований получения максимально полной информации о местности. Во многих случаях проведения наземных съёмочных работ, особенно в черте городов и промышленных объектов, имеющ их высокие (более 3 м) сооружения и растительность, эти требования вступают в противоречие с требов аниями обеспечения возможности беспрепятственного проведения спутниковых наблюдений. Высокие здания, сооружен ия, высокая густая растительность являются препятствиями для прохождения радиосигнал а и поэтому не доп ускают возможн ости проведения спутниковых наблюдений. Там, где имеющ иеся на местности естественн ые и искусственно созданные объекты позволяют производить съёмочные работы, используя спутниковые определения, такие работы целесообразно проводить. Это могут быть территории одноэтажной гражданской и п ромышленной застройки (объекты торговли и коммунального хозяйства, склады, гаражи и т.п.), транспортн ые объекты (железные и автомобильн ые дороги, трубопроводы, каналы, аэродромы), акватории, зоны отдыха, участки государственной границы и др.

2 .11 . При выборе высоты сечения рельефа для топографической съёмки необходимо руководствоваться следующими положениями.

2 .11 .1 . Для различных масштабов съёмки следует и спользовать высоты сечения рельефа, приведённые в табл. 1 .

2 .11 .2 . В пределах одного листа карты масштаба 1:10000 (далее — карты), как правило, высоту сечения релье фа не изменяют. При съёмке с основным сечением 1 ,0 м для участков с расчленённым рельефом, а также залесённых, разрешается применять сечение рельефа через 2 ,0 м.

Две высоты сече н ия рельефа разрешается применять на значительные по площади участки съёмочного планшета плана, где преобладающие углы наклона местности различаются на два и более градуса.

2 .11 .3 . Для изображения характерных деталей рельефа, не выражающихся горизонталями основного сечения, с л едует применять дополнительные горизонтали (полугориз онтали) и вспомогательные горизонтали. Полугоризонтали обязательно проводят на участках, где расстояния между основными горизон талями превышают 2 ,5 см на плане.

Изображение рельефа дополняется характеристиками относ ит ельны х высот (глубин) выделяющихся форм рельефа, надписями горизонталей и указателями направления скатов.

2 .12 . При большой контурной нагрузке, например, при наличии большой сети подземных коммуникаций и п оверхн остны х трубопроводов различного назначения, планы можно создавать расчленён но, по элементам, на двух или трёх совмещаемых между собой листах. Рекомендуется штифтовое их соединение.

Высоты сечения рельефа для топографических съёмок

Ти п рельефа и свой ственн ый е му ди апазон углов наклона земной поверхности

Трассирование эксплуатационных прорезей на характерных перекатах.

Общие положения. При назначении положения эксплуатационных прорезей пользуются термином трассирование, а не проектирование. Обычно такие прорези располагаются примерно в одних и тех же местах на транзитном судовом ходу и помогают восстанавливать судоходные глубины после паводка или ликвидировать меженную заносимость. Проверять устойчивость таких прорезей расчетом не требуется.

При трассировании восстановительной прорези используют сведения о ходе руслового процесса на перекате за ряд предшествующих лет и о деформациях, которым подвергались выполнявшиеся в эти годы прорези. Основой трассирования прорези является план свежей русловой съемки, по которому можно судить о деформациях, произведенных текущим паводком, и о состоянии переката на данный момент (разрыв во времени между съемкой переката и началом разработки прорези не должен превышать пяти суток). Обычно, этих данных достаточно для выбора положения прорези, если при этом на перекате не произошло значительных деформаций.

Внешняя простота процедуры трассирования эксплуатационных прорезей не должна создавать иллюзию легкости этой задачи. Перекат после весеннего паводка никогда не бывает таким же, как в предшествующую навигацию. Ранее существовавшая трасса не всегда является абсолютно верным решением. Поэтому задача трассирования решается каждую навигацию заново. Если на перекате произошли сильные переформирования, выбор трассы эксплуатационной прорези по своей трудности мало отличается от выбора трассы капитальной прорези, и лишь недостаток времени заставляет обходиться без расчетов. Чтобы избежать ошибок, необходимо понимать законы руслового процесса, знать свои перекаты и иметь инженерную интуицию.

Ремонтные прорези, при отсутствии непредвиденных деформаций, назначаются в тех местах судового хода, где на съемке переката было обнаружено отложение наносов.

Для трассирования прорезей на наиболее распространенных типах перекатов выработаны определенные рекомендации.

Перекат-перевал. Так принято называть перекаты наиболее простой формы[1]. Они характеризуются плавным переходом линии наибольших глубин от одного берега к другому, не заходящими друг за друга плесовыми лощинами (отсутствием затонской части) и одинаково развитыми побочнями. Эти перекаты встречаются как на меандрирующих реках, так и на реках с побочневым типом руслового процесса (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Прорезь и отвал на перекате-перевале

В первом случае они располагаются на переходах между смежными кривыми разных знаков кривизны; их побочни закреплены у выпуклых берегов (не смещаются относительно берега). Во втором случае побочни, а значит и перекат в целом, постепенно сползают вниз по течению. Прорезь на таком перекате трассируется по линии наибольших глубин. Отвалы грунта располагаются на верхнем побочне, это позволяет притормозить движение побочня и прорези можно придать более пологое направление (на рис. 4.2 штриховая линия).

Яндекс.ДиректDROM.RU — Купить Mitsubishi Pajeroauto.drom.ru ВАЗ 4×4 с пробегом в объявленияхauto.ru

Перекат с затонской частью. Схема переката с затонской частью и варианты прорези приведены на рис. 4.3. Косое расположение перекатного вала усложняет течение воды на таких перекатах и является причиной ряда затруднений для судоходства. При меженных уровнях вал переката работает как косой, затопленный водослив. Между верхней плесовой лощиной и затонской частью образуется поперечный перепад уровней воды, а течение на валу переката приобретает веерообразный характер (см. рис. 4.3).

Наибольший поперечный перепад наблюдается вблизи вершины затонской части, и, по мере понижения уровней воды, сюда перемещается максимум скоростей. С повышением уровней воды эти эффекты ослабевают, а при больших наполнениях поток движется почти параллельно берегам. Поэтому весенний судовой ход трассируют по пологому направлению вблизи нижнего побочня, а в середине спада по этому же направлению разрабатывают прорезь (см. рис. 4.3, прорезь I).

Рис. 4.3. Весенняя (I) и меженная (II) прорези на перекате с затонской частью:

1 – плотовой состав; 2 – толкаемый состав; 3 – буксирный состав

Однако пользоваться этой прорезью вскоре становится неудобно. При снижении уровней поток растекается по перекатному валу, удельные расходы воды в прорези резко падают и она начинает заноситься. Одновременно это создает трудности для судоходства. Составы, идущие сверху, испытывают действие свального течения, направленного в затонскую часть.

Свальное течение особенно опасно для плохо управляемых плотовых составов. Толкаемые составы, следующие снизу, встречают сильное течение из затонской части. При заходе в прорезь состав становятся под углом к течению и сносится вниз. Даже опытные капитаны иногда не могут заправить состав в прорезь и бывают вынуждены расчалить его и проводить суда по отдельности на коротком буксирном тросе. Положение на перекате может стать настолько тяжелым, что в межень приходится трассировать новый судовой ход, пересекающий перекатный вал по крутому направлению вблизи верхнего побочня. Выполненная в этом месте прорезь поддерживается течением и обычно не требует ремонтных работ до конца навигации (см. рис. 4.3, прорезь II).

Единственное затруднение для судоходства состоит в малом радиусе циркуляции при выходе из прорези в затонскую часть. Под действием течения и сил инерции буксируемые баржи получают раскат в сторону берега и нередко наваливаются на него. В очередное весеннее половодье крутая прорезь полностью заносится песками, ползущими с верхнего побочня. Таким образом, создаются благоприятные условия для возобновления пологой прорези нижнего положения. После этого весь цикл изменений повторяется снова. Коренное улучшение перекатов с затонской частью достигается с помощью капитальных прорезей, прокладываемых через нижний побочень.

Перекат на повороте русла. Перекаты часто располагаются перед крутыми поворотами русла. Основные затруднения здесь состоят не столько в недостаточных глубинах на корыте переката, сколько в малом радиусе кривизны по линии наибольших глубин. Чтобы увеличить радиус кривизны, прорезь приходится располагать вблизи выпуклого берега (см. рис. 4.4) и производить подрезку примыкающего к этому берегу нижнего побочня переката. Поток способен за относительно короткое время (всего за один-два месяца) восстановить естественную форму побочня, поэтому подрезки необходимо повторять.

Перекат у приверха острова. В коротких двухрукавных разветвлениях обычно располагается пара перекатов – у приверха острова в одном рукаве и в ухвостье острова – в другом. Перекаты у приверха острова редко бывают затруднительными. При обтекании потоком приверха острова скорости течения возрастают, и в непосредственной близости к острову происходит размыв дна. Однако трассировать прорезь у островного берега нельзя по условиям судоходства. При заходе в такую прорезь сверху составы, особенно плотовые, могут попадать под действие течения, идущего в несудоходный рукав. Поэтому прорези на таких участках трассируются под материковым берегом. Отвал стремятся расположить между прорезью и этим берегом (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Прорезь на крутом повороте русла Рис. 4.5. Прорезь у приверха острова

Перекат у ухвостья острова. За ухвостьем острова свободная поверхность потока понижена, и донные струи, выходящие из рукавов, напра­влены в сторону этой ложбины. Они питают ухвостье острова наносами, наращивая его в длину. Таким образом, вся часть русла, расположенная за ухвостьем, является областью интенсивного движения песков. Это создает большие трудности в поддержании здесь трассы судового хода. Чтобы ослабить заносимость прорези, стремятся трассировать ее ближе к материковому берегу (рис. 4.6). Прорези крутого положения (на рис. 4.6 штриховая линия) могут быть устойчивы лишь в том случае, когда несудоходный рукав пропускает малые расходы воды.

Рис. 4.6. Варианты прорези под ухвостьем острова

Встречаются разветвления, у которых несудоходный рукав активно работает во время паводка, но сильно мелеет в межень. В этом случае в районе ухвостья острова создаются условия, которые напоминают условия движения воды на перекате с затонской частью. В межень за ухвостьем образуется поперечный уклон в сторону несудоходного рукава; пологая прорезь начинает заноситься, и приходится открывать ход по более крутому направлению по линии наибольших поперечных перепадов уровня воды.

Тема 4.

Капитальные прорези. Выбор новой трассы судового хода. Построение планов течения для бытового и проектного состояния русла.

Наиболее распространенный вид капитальных прорезей – прорези, отторгающие нижний побочень переката. Отторжение является целесообразным, когда нижний побочень сильно развит и смещается вниз по течению медленнее верхнего. При сближении побочней судовой ход на перекате искривляется и становится неудобным для судоходства. Прорезь, расположенная почти поперек русла, быстро заносится. А русловой поток, обычно, сам уже начинает промывать спрямляющую борозду через нижний побочень. Капитальная прорезь намечается по этому направлению.

Различают два случая отторжения нижнего побочня: полное отторжение, когда капитальная прорезь проходит через корневую часть побочня, и частичное отторжение, когда прорезь прокладывается в центральной части побочня.

Рис. 4.9. Отторжение нижнего побочня на Верхнем Просецком перекате р. Волги:

а – съемка до работ: б – съемка после работ

Первый случай показан на рис. 4.9, здесь приведены два плана Верхнего Просецкого переката р. Волги — перед производством дноуглубительных работ и по окончании разработки капитальной прорези. Из прорези длиной 1800 м, проложенной через корневую часть обширного побочня, было извлечено около 950 тыс. м 3 грунта. По контрольной съемке видно, что прорезь была поддержана потоком. И уже через два месяца начал происходить процесс занесения старого судового хода.

Второй случай отторжения показан на рис. 4.10. Здесь представлены два плана одного из перекатов р. Амур – до и после разработки капитальной прорези, которая произвела частичное отторжение нижнего побочня. Новое направление судового хода было уже подготовлено потоком, поэтому объем капитальной прорези составил лишь 90 тыс. м 3 грунта при ее длине в 850 м. На контрольной съемке видно, что новый судовой ход быстро развивается, а на старом — идет процесс отложения наносов.

Развитие русловых деформаций после отторжения побочня далеко не всегда бывает таким благоприятным, как на представленных перекатах. Если емкость старого судового хода велика, она продолжает отвлекать большой расход воды, и капитальная прорезь оказывается неустойчивой. Чтобы закрепить новое положение судового хода, приходится принимать меры по уменьшению пропускной способности старого судового хода. Это может быть укладка отвала грунта на старый судовой ход или возведение специальных выправительных сооружений.

Рис. 4.10. Частичное отторжение нижнего побочня на перекате р. Амур:

а – съемка в июле 1942 г. (до работ); б – съемка в октябре 1942 г. (после работ)

Зачастую затруднения возникают, когда капитальная прорезь разработана преждевременно, т.е. поток сам еще не начал прокладывать себя путь через побочень. О достижении благоприятной стадии можно судить по появлению промоин на поверхности побочня. Если же выполнение прорези требуется по условиям судоходства, необходимо придавать ей большую ширину (до 2-3 гарантированных ширин судового хода).

Наиболее крупные капитальные прорези выполняют при переносе судового хода из одного в другой рукав разветвленного участка русла. Перенос почти всегда делается из более длинного и искривленного в более короткий и прямой рукав. Этим не только достигают улучшения условий судоходства, но и обеспечивают большую устойчивость судового хода. В коротком рукаве уклон свободной поверхности и транспортирующая способность потока больше, чем в длинном. Основанием для переноса судового хода обычно служит установленная при анализе руслового процесса тенденция к обмелению судоходного и размыву несудоходного рукава. Иногда прямой и короткий рукав не развивается из-за того, что в нем залегают гравелистые или глинистые грунты, хорошо сопротивляющиеся размыву. Выполнив в таком рукаве капитальную прорезь с помощью многочерпаковых снарядов, можно получить удобный и очень устойчивый судовой ход.

Рис. 4.11. Перенос судового хода из левого

в правый рукав Алитубского разветвления р. Дона:

а – съемка в июне 1953 г. (до работ); б – съемка в июне 1960 г.

(после стабилизации нового судового хода)

На рис. 4.11,а показана капитальная дноуглубительная прорезь на Алитубском разветвлении р. Дон. Правый рукав разветвления, более короткий и широкий, чем левый, долгое время оставался несудоходным из-за малых глубин. Дно этого рукава слагали крупнозернистые пески, и скорость течения в нем была меньше неразмывающей.

Перенос судового хода в правый рукав был обусловлен большой кривизной левого рукава и существованием на входе в него Алитубского переката, на котором ежегодно выполнялись дноуглубительные работы. При разработке правого рукава было извлечено около 900 тыс. м 3 грунта. В течение шести лет на новом судовом ходу велись ремонтные дноуглубительные работы, а левый рукав постепенно мелел. К 1960 г. ход в правом рукаве стабилизировался и перестал требовать дноуглубления (см. рис. 4.11, б).

Поддержание судоходных условий на реках, протекающих в северных районах, обладает определенной спецификой, связанной с сезонной промерзаемостью мелководных рукавов и русловых форм. Комплексные исследования северных рек в районах газонефтедобычи в течение длительного времени (с 1975 г.) проводились Западно-Сибирской экспедицией ЛИВТа. В качестве примера на рис. 4.12 показан план участка реки Пур, впадающей в Тазовскую губу. Материалы, полученные экспедицией в 1981 г., охватывают бытовое состояние этого участка. Они включают в себя план участка исследований, результаты обработки материалов гидрометрических измерений и продольные профили свободной поверхности воды на участке.

На этой основе был составлен проект коренного улучшения судоходных условий на участке, предусматривающий разработку капитальной дноуглубительной прорези в левом рукаве. Прорезь была затрассирована с двумя изломами по направлению стрежня меженного потока.

Рис. 4.12. Схема исследуемого участка р. Пур:

– капитальная дноуглубительная прорезь;

– местоположение отвалов грунта;

– расположение гидрометрических створов

В подготовительный период навигации 1982 года в соответствии с проектом на участке были выполнены дноуглубительные работы объемом около 500 тыс. м 3 . Разработка прорези осуществлялась двумя землесосами производительностью 1000 м 3 /ч. После разработки капитальной прорези произошло перераспределение расхода воды в пользу левого рукава, что позволило перенести судовой ход в этот рукав и обеспечивать в нем судоходство в дальнейшем без значительных объемов ремонтных работ.

Натурные исследования, выполненные на этом участке в бытовом состоянии и после производства дноуглубительных работ, позволили оценить эффект влияния капитальной дноуглубительной прорези на гидравлику разветвленного участка реки. Это позволило получить новые научные данные для повышения надежности гидравлических расчетов [3].

Во всех рассмотренных примерах коренное улучшение судового хода на перекатах достигалось с помощью капитальной прорези и отвала грунта, т.е. только средствами дноуглубления. Нередко, капитальные прорези выполняют в комплексе с возведением выправительных сооружений. При этом удается улучшать протяженные участки русла, включающие в себя несколько затруднительных перекатов.

Построение планов течения

Общие сведения. Основой для прогноза деформаций прорези является поле скоростей течения. Построить такое поле с учетом запроектированной (еще не существующей) прорези и отвала можно путем расчета или с помощью гидравлического и аэродинамического моделирования. К моделированию прибегают для отдельных наиболее сложных участков русла, где проектируется комплекс дноуглубительных и выправительных работ. Исследования ведут на открытых гидравлических или на напорных аэродинамических моделях. Принципиальные основы моделирования излагаются в курсе гидравлики. Ниже рассматриваются только расчетные методы построения скоростных полей.

Зависимости, определяющие расход наносов, связывают его со средней скоростью течения на вертикали, поэтому построение скоростных полей ведется в этом же приближении: искомой служит плановая (двумерная) картина течения, составленная векторами средних скоростей на вертикали. Движение потока считается установившимся. Векторными линиями поля скоростей являются линии тока. Плановой линией тока будем называть линию в горизонтальной плоскости, направление касательной к которой во всех ее точках совпадает с направлением вектора средней скорости на вертикали (отклонениями этих векторов от горизонта можно пренебрегать). Линии, ортогональные к плановым линиям тока, представляют собой горизонтальные проекции живых сечений. Эти линии называют криволинейными поперечниками. Совокупность плановых линий тока и криволинейных поперечников называется планом течения (рис. 4.13).

Рис. 4.13. План течений (I-V номера струй)

Часть потока, заключенная между двумя смежными линиями тока, называется плановой струей. Полоса между двумя смежными криволинейными поперечниками называется поясом плана течений.

При неплавно изменяющемся движении воды, которое часто наблюдается на перекатах, построение плана течений основывается на решении двумерных уравнений установившегося неравномерного движения открытого потока. В эти уравнения входят силы тяжести и трения, а также силы инерции, обусловленные конвективными ускорениями воды. Такое решение можно получить только численными методами.

Исторически первым был алгоритм ручного счета, предложенный еще в тридцатых годах Н.М. Вернадским.

В 80-е годы прошлого столетия появились алгоритмы машинного счета, среди которых следует отметить метод И.А. Шеренкова. Одним из его преимуществ является возможность применения ЭВМ с небольшим объемом памяти. Наличие в методе Шеренкова некоторых упрощений обязывает, однако, к продолжению работ над алгоритмами численного решения плановой задачи движения речного потока. В последние годы, в связи с активным развитием средств вычислительной техники, все большее применение на практике находят численные методы решения уравнений гидравлики, основанные на использовании метода конечных элементов. Наиболее эффективные алгоритмы и программы, применимые для решения задач речной гидравлики, были разработаны в Вычислительном центре РАН авторами А.Н. Милитеевым и В.В. Беликовым.

Расчет планов течений при плавно изменяющемся движении не такой сложный. В этом случае кривизна и расходимость плановых линий тока незначительны, а силы инерции могут быть отброшены и криволинейные поперечники заменены прямыми. Такой метод расчета был предложен М.А. Великановым и получил название метода плоских сечений. Некоторые простые задачи неплавно изменяющегося движения могут быть решены посредством модифицированного метода плоских сечений, известного под названием метода фрагментов (предложен К. В. Гришаниным).

Таким образом, в распоряжении инженера-путейца в настоящее время есть несколько способов построения планов течений. Рекомендуемые области их применения следующие. Построение планов течений на относительно простых перекатах, расположенных на прямолинейных или слабо изогнутых участках русел и не имеющих затонских частей, следует вести по методу плоских сечений. На перекатах с затонской частью следует применять ме­тод фрагментов. Для сильно искривленных участков русел с неплавно изменяющимся движением воды необходимо выполнять решение полных уравнений планового движения по методу Шеренкова или с использованием современных численных методов вычислений.

Ниже излагаются основы двух первых методов. С методом Шеренкова можно ознакомиться по его монографии [4].

Метод плоских сечений. При плавно изменяющемся движении потока уклон свободной поверхности вдоль произвольной плановой линии тока можно выразить с помощью формул Шези и Маннинга

где: n – коэффициент шероховатости;

h – глубина вертикали;

v – средняя скорость на вертикали;

q – элементарный расход воды.

Решая его относительно элементарного расхода, получим

Уравнение неразрывности записывается в интегральной форме так

где: Q (bi) – расход воды, проходящий в полосе между урезом, принятым за начало отсчета поперечных расстояний, и i-й линией тока.

Стремясь сделать выбор линий тока определенным, вводят условие, чтобы между любой парой смежных линий тока проходил один и тот же расход воды. Это значит, что речной поток делится на целое число Nравнорасходных плановых струй. Отношение при этом записывается в виде .

Подставив величину элементарного расхода по уравнению (4.8) в уравнение неразрывности (4.9), будем иметь

На участках с плавно изменяющимся движением допустимо считать, что продольный уклон не изменяется поперек русла. Такое же допущение можно принять и в отношении коэффициента шероховатости

Это позволяет вынести множитель из-под знака интеграла в уравнении (4.10)

Таким образом, в методе плоских сечений распределение расхода по ширине русла зависит только от глубин.

Уравнение (4.12) является расчетным. Неизвестной в нем служит координата bi. Значения координаты bi, определяющие границы равнорасходных струй, легко найти в каждом поперечном сечении графическим способом (рис. 4.14). Построив поперечный профиль русла и отвечающий ему график подынтегральной функции h 5/3 =f(b), проводят графическое интегрирование и строят на том же чертеже интегральную кривую

Рис. 4.14. Построение плана течений на перекате

с капитальной прорезью по способу плоских сечений:

а – расчет распределения расхода по ширине одного из поперечников;

б – построение границ равнорасходных струй; I – V — номера плановых струй

Конечная ордината интегральной кривой равна , т.е. пропорциональна полному расходу. Разделив ее на N равных частей, сносят точки деления на интегральную кривую, а затем на ось b, как показано на рис. 4.14, а. Это и есть границы равнорасходных струй в поперечном сечении. После выполнения расчетов для всех сечений границы струй переносят на план переката и соединяют плавными линиями (рис. 4.14, б). Число N плановых струй берется обычно 3-5.

Расчетные поперечники назначаются в глубоких местах плесовых лощин, на гребнях, на переходах от плесовых лощин к перекатам и от перекатов к плесовым лощинам. Расстояние между сечениями должно быть соизмеримо с шириной русла. Через намеченную прорезь необходимо назначить не менее 4-5 поперечников, крайние из которых, должны проходить через начало и конец прорези. Если расчет проводится для больших наполнений русла, поперечники располагаются по нормалям к оси русла. При расчете для малых наполнений на направление течения сильное влияние оказывает рельеф дна и поперечники следует ориентировать, сообразуясь с этим рельефом так, чтобы они были нормальны к предполагаемому направлению течения.

Метод фрагментов. На участках, где условия плавно изменяющегося движения не соблюдаются, уклон свободной поверхности может изменяться по ширине русла. Для этих случаев К.В. Гришанин предложил разбить поток в плане на фрагменты, в пределах каждого из которых поперечным изменением уклона допустимо пренебречь. Тогда в пределах каждого фрагмента можно применять метод плоских сечений, но предварительно необходимо найти распределение расхода воды между фрагментами.

Простейший пример использования этой идеи дает построение плана течений на разветвленном участке русла. Пусть река делится на два рукава. Уклоны свободной поверхности в рукавах могут сильно различаться. Поэтому сначала следует рассчитать распределение расхода между рукавами, а затем строить планы течений отдельно для каждого рукава.

Метод фрагментов позволяет успешно решить задачу построения плана течений для перекатов с затонской частью, где гипотеза однозначного соответствия между глубинами и элементарными расходами при низких уровнях не выполняется. При малых наполнениях русла, уклоны свободной поверхности в затонской части меньше уклонов в верхней плесовой лощине и, распределяя расходы пропорционально значениям h 5/3 , можно сильно завысить расход, пропускаемый затонской частью.

Деление на фрагменты непосредственно вытекает из общей картины течения: к одному фрагменту относятся верхняя плесовая лощина и напорный скат переката, к другому – затонская часть вместе с тыловым скатом. Граница между фрагментами проходит по гребню перекатного вала (рис. 4.15). Перелив воды через косой перекатный вал приводит к тому, что расход в верхней плесовой лощине вниз по течению убывает, а по затонской части нарастает. Изменение расходов воды по длине фрагментов существенно осложняет задачу распределения расхода между фрагментами.

Рис. 4.15. Фрагменты плана течений на перекате с затонской части

Отсчитывая продольные расстояния по криволинейной границе между фрагментами, можем написать следующие условия неразрывности:

Индексами I и II обозначены, соответственно, расходы воды в верхней плесовой лощине и в затонской части, a qr = qr (l) — удельный расход на гребне перекатного вала. Задача о распределении расхода между фрагментами будет решена, если мы будем знать одну из функций QI(l) или QII(l) так как другая функция найдется из уравнения (4.14). Интегрируя второе из равенств (4.13), получим

Вал переката работает при низких уровнях как косой затопленный водослив и, принимая приближенно, что разность отметок свободной поверхности в верхней плесовой лощине и в затонской части сосредоточена над гребнем этого водослива, можем написать следующее выражение для удельного расхода на гребне

где: φ – коэффициент скорости;

ZI, ZII – соответственно отметки свободной поверхности в верхней плесовой лощине и в затонской части.

За исключением прибрежных частей перекатного вала перепад уровней на его гребне изменяется мало. В соответствии с соотношением (4.16) это значит, что удельный расход на гребне можно считать пропорциональным глубине hr. Тогда вместо уравнения (4.15) будем иметь следующее условие пропорциональности

где: функция ωr(l) выражает нарастание площади сечения вдоль гребня переката по линии l.

Вблизи корыта перекатного вала различие между уклонами свободной поверхности в верхней плесовой лощине и в затонской части сглаживается. Поэтому в проведенном здесь поперечном сечении (сечение С-С на рис. 4.14) расход можно распределить от одного берега до другого пропорционально значениям h 5/3 . Это значит, что мы легко можем установить здесь долю расхода, пропускаемую затонской частью QII(lc) = QIIc. Используя соотношение (4.17), получаем формулу для расчета расхода воды вдоль затонской части переката

где: – часть живого сечения на гребне переката, ограниченная координатами l=0 и l=lc (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Профиль живого сечения на гребне переката с затонской частью

и график нарастания площади сечения вдоль гребня

Расчеты при построении плана течений на перекате с затонской частью выполняют в следующем порядке.

1. Делают разбивку расчетных (ломаных) поперечников, начиная с входного сечения 0-0. Проводят линию 0l по гребню переката (см. рис. 4.15). В отношении разбивки поперечников сохраняют силу указания, сделанные для метода плоских сечений.

2. Строят сечение русла по линии гребня от точки l = 0 до точки l = lc, определяют для ряда значений l площади ωr и строят безразмерный график нарастания этих площадей (см. рис. 4.16)

3. Вычерчивают конечное поперечное сечение С-С и строят для него интегральную кривую

4. С помощью интегральной кривой по измеренному на плане переката расстоянию bIIc от уреза затонской части до гребня переката устанавливают расход воды QIIc в конечном сечении затонской части.

5. По формуле (4.18) определяют значения расхода QII во всех расчетных сечениях затонской части и затем по формуле (4.14) – значения расхода QI в расчетных сечениях верхней плесовой лощины.

6. Задают число N плановых струй и находят расход одной струи Q/N.

7. Вычерчивают все расчетные поперечники и строят для двух фрагментов отдельные интегральные кривые F(b). С помощью интегральных кривых по отношениям Q/NQII и Q/NQI находят границы плановых струй в расчетных сечениях. Полученные точки переносят на план переката и соединяют плавными линиями.

При большом объеме расчетов целесообразно пользоваться вычислительными машинами. В.М. Селезнев разработал алгоритмы и программы счета на ЭВМ для обоих применяющихся в проектировании прорезей методов построения планов течений – метода плоских сечений и методов фрагментов.

| следующая лекция ==>
Эксплуатационные прорези. Требования к прорезям и отваламгрунта. | Оценка устойчивости капитальной прорези.

Дата добавления: 2020-10-18 ; просмотров: 137 | Нарушение авторских прав

Эффект «трассирования» для навигации

Спутниковые приемники прочно укрепились в списках обязательного оборудования для геодезических изысканий и кадастровых работ, поэтому стоит разобраться в их предназначении и особенностях. В этой статье мы объясним принцип действия GPS приемников ( система ГЛОНАС работает аналогично), как они помогают в геодезических работах, а также отличия от обычных GPS модулей на телефонах и навигаторах.

Оглавление:


Что из себя представляет GPS?

Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System, что означает «Система глобального позиционирования». Изначально эта система разрабатывалась военными армии США. Но со временем «ушла в народ», где нашлось для неё множество мирных применений.

GPS состоит из 24-х искусственных спутников Земли семейства NAVSTAR, первый из которых отправился на орбиту ещё в 1978 году. Именно такое количество спутников нужно для обеспечения работоспособности системы навигации. На борту каждого из них находится работающий на частоте 1575,42 МГц и 1227,6 МГц передатчик мощностью 50 Вт передающий пучок данных на Землю и атомные часы, обеспечивающие постоянную абсолютную координацию всей группы.

В систему входят и спутниковые приемники. Их может быть бессчетное множество. Как самых простых, установленных в навигаторах, так и технически сложных, находящихся в геодезическом и другом высокоточном оборудовании. Задача приемников уловить и записать данные, принимаемые от спутниковых передатчиков.

Задача GPS измерений

Основная задача, которая в геодезии решается с помощью GPS, — это создание или реконструкция различных опорных и съемочных сетей . Используется система и в крупномасштабных топографических съемках , при выносе в натуру проектов , в кадастровых работах ( межевание , вынос в натуру границ земельного участка ) для обеспечения привязки геодезических измерений относительно пунктов геодезической государственной сети (ГГС).

Важным вопросом является выбор пунктов ГГС, к которым будет привязываться опорная геодезическая сеть. Исследования показали, что стоит отдавать предпочтение пунктам более высокого класса, расположенным на расстоянии 5–15 км от промышленных объектов, чтобы исключить влияние техногенных факторов.

Принцип работы GPS приемников

Имея в своём распоряжении GPS-приемник, любой его пользователь на Земле может получить орбитальные координаты за сутки всех спутников, время с точностью до наносекунды, текущие дату и точное время отправки сообщения. Такую информацию отправляет каждый спутник. GPS-приемник рассчитывает расстояние до него, а при получении информации от нескольких спутников — взаимное их расположение, а также собственные координаты.

Чтобы определить просто положение на местности (широту и долготу), потребуется поймать сигнал минимум трёх спутников, а если нужна ещё и высота над уровнем моря — минимум четырёх. Это относится к ЛЮБЫМ спутниковым приемникам. Конечно, чем больше сигналов ловит приемник-тем точнее и быстрее определяется его местоположение.

Принцип определения координат приемника достаточно прост. Они получаются методом обратных засечек от передатчиков спутников. Обо всем по порядку. Передатчик и приемник имеют высокоточные часы. В спутнике они атомные с погрешностью 10¯9 секунды/год. В приемниках часы попроще, но тоже гораздо точнее наручных. Передатчик высылает кодированный сигнал с данными о времени передачи, своей орбите и координатах и многое другое. Сигнал со скоростью света достигает приемника и обрабатывается им. Время передачи и приема различается на незначительную величину, но именно по этим данным можно определить расстояние до спутника. Поэтому и часы должны быть очень точными. Расстояние есть скорость помноженная на время. Перемножив скорость света и время прохождения сигнала и определяется пространственная засечка. И так происходит со всеми спутниковыми сигналами.

Получается, что в каждый момент времени приемник получает одновременно сигналы от нескольких спутников и определяет свое местоположение относительно их. Понятно, что спутники постоянно движутся по разным орбитам, и приемник не стоит на месте. Учет этих и других факторов ложится на вычислительную мощь приемника и наземных центров управления системой.

Разница в GPS приемниках геодезических и обычных

Сначала необходимо немного рассказать о сигналах, которые передают спутники. На самом деле сигналы передаются в закодированном виде на двух модулированных частотах, названных выше. Навигационные приемники, не имеющие специальных дешифраторов (платных), могут обработать только «грубый» открытый код, посылаемый передатчиками. В него преднамеренно введена случайная незначительная ошибка. И именно она обуславливает столь невысокую точность обычных навигаторов. Сделано это из коммерческих соображений- «неиспорченную частоту» нужно покупать. И цена на данный момент каждой частоты превышает 100 тыс. рублей. Бытовым навигаторам достаточно точности открытого кода, поэтому они не так дороги, как геодезические приемники.

Второе различие- приемники в навигаторах работают в одиночку и определяют свое абсолютное местоположение. То есть без дополнительных уравниваний и других приемников. Они самодостаточны. Точность определения может достигать 20 и более метров. А геодезические приемники работают минимум в паре. Один находится на пункте с известными координатами (база), а второй- на определяемом пункте (ровер). Они находятся в относительной близости друг от друга (до 50 км) и должны получать сигналы от одинаковых спутников. Получается, что координаты определяемого пункта вычисляются не относительно летающих спутников, а относительно известного пункта. За счет этого точность определения положения приемника достигает 1-2 сантиметра.

Из отличий можно отметить цену (многократная разница), мощность, внутренняя начинка, размер (геодезические значительно больше).

Методы геодезических измерений GPS приемниками

Один из приемников должен находится на базе (с известным местоположением). Второй перемещается по определяемым пунктам. Есть несколько вариантов его передвижения. В этом и заключаются методологические отличия.

• Статический метод- самый точный- 5мм + 1мм/км. На пункте необходимо наблюдать не менее 1 часа. Применяется для создания и развития опорных геодезических сетей.

• Быстростатический метод- точность сопоставима с кинематическим, но менее достоверен. Длительность наблюдений 15-20 минут. Применяется для создания сетей сгущения.

• Кинематический метод Stop-and-Go- около 1-2см + 2мм/км. Продолжительность на пункте около 30 сек. Часто применяется в топосъемке на открытой местности с небольшим количеством контуров.

• Непрерывный кинематический метод- точность порядка 10-15см. Приемник движется непрерывно. Используется для трассирования линейных объектов (дороги, ЛЭП, подземные коммуникации и т.д)

• С развитием GSM технологий появился самый «продвинутый метод»- RTK. Точность сопоставима с быстростатическим методом, но измерения проводятся несколько сукунд. В Москве и ближайшем Подмосковье в связи с большим количеством непрерывно работающих базовых станций этот метод считается предпочтительным (если , конечно, оборудование позволяет).

Как видно- методы отличаются временем непрерывного нахождения приемника на определяемом пункте. Чем дольше-тем точнее.

Стоимость работ с использованием GPS приемников

GPS измерения включаются в состав большинства инженерно-изыскательских и кадастровых работ, поэтому и стоимость измерений прописывается в смете на данный вид работ. То есть эти измерения являются одним из этапов проведения топографической съемки, межевания и т.д.

Как отдельный вид- GPS определение координат пунктов проводится для создания опорных сетей для разных строительных и не только нужд. Стоимость этих работ можно узнать, пройдя по синей ссылке справа. Стоимость GPS определений в составе других видов работ сопоставима с представленной.

Компания ООО «Землемер» заложит пункты опорных геодезических сетей любой сложности и класса точности с использованием GPS технологий.

Глава 5. Проектирование трассы в плане

Трассирование автомобильных дорог осуществляется с учетом, в первую очередь, требований удобства и безопасности транспортного движения. Чтобы дорога наилучшим образом удовлетворяла этим требованиям, необходимо обеспечить возможность движения одиночных автомобилей с расчетными скоростями, а транспортных потоков со скоростями, нормируемыми в зависимости от категории проектируемой дороги и плотности этого потока.

Сочетания элементов плана и продольного профиля должны правильно ориентировать водителей в дальнейшем направлении трассы за пределами фактической видимости. При проектировании трассы для транспортного движения следует избегать: кривых малого радиуса; резких поворотов за переломами продольного профиля; пересечений дорог в одном уровне в условиях необеспеченной видимости; участков переплетений и слияний транспортных потоков местного и транзитного движения с различными скоростями; длинных прямых, особенно переходящих в кривые малого радиуса.

Одним из наиболее радикальных средств обеспечения наилучших условий удобного и безопасного движения является ландшафтное проектирование. Методы ландшафтного проектирования получили значительное развитие в работах Бабкова В. Ф. [1, 2] и Лобанова Е. М. [13].

Ландшафтное проектирование предусматривает решение ряда взаимосвязанных задач:

· Обеспечение зрительной плавности трассы. Обеспечение пространственной плавности автомобильных дорог сводится к реализации при проектировании следующих принципов сочетания элементов плана и продольного профиля: длины прямых и кривых должны быть соизмеримы; количество переломов в плане и профиле должно быть по возможности одинаковым; следует стремиться совмещать вершины вертикальных и горизонтальных кривых, допуская смещение их вершин относительно друг друга не более, чем на ¼ длины меньшей из них; необходимо избегать сочетаний элементов трассы, создающих провалы видимости. Всестороннюю оценку зрительной плавности трассы путем построения перспективных изображений участков проектируемой дороги с разных точек зрения.

· Реализация принципов «оптического трассирования», когда различными приемами (посадка деревьев и кустарников, трассирование на возвышающие объекты ландшафта и т.д.) обеспечивается ясное представление о дальнейшем направлении дороги за пределами фактической видимости.

· Обеспечения плавного и гармоничного вписывания автомобильной дороги в окружающий ландшафт и соблюдение требований охраны окружающей среды.

· Улучшение существующего природного ландшафта путем включения в проект различных мероприятий (посадка деревьев и кустарников на придорожной полосе; планировочные и осушительные работы; создание искусственных водоемов с приданием земляному полотну на участках пересечений водотоков функций гидротехнических плотин; раскрытие либо маскировки отдельных элементов ландшафта и т.д.).

В современных условиях при трассировании дорог также особое внимание уделяется вопросам охраны окружающей среды. Решение этой проблемы достигается посредством:

· Проложения дорог в обход ценных сельскохозяйственных угодий; заповедников; лесных массивов; водоохранных зон; природных, исторических и культурных памятников; мест обитания ценных животных и других территорий, где строительство и эксплуатация дороги могут иметь особенно неблагоприятные последствия для окружающей среды.

· Удаления автомобильной дороги с интенсивным транспортным движением от населенных пунктов на расстояния, обеспечивающих защиту населения от вредных выбросов автомобилей и транспортного шума [15].

· Назначения параметров и сочетания геометрических элементов дороги, обеспечивающих равномерный режим движения транспортного потока, при котором снижается уровень вредного влияния автомобильного транспорта на окружающую среду.

При трассировании дорог необходимо учитывать значительное число требований и условий, изложенных выше. Однако зачастую проектные решения, в максимальной степени отвечающие какому-либо критерию или критериям, не соответствуют другим. Отсюда следует, что трассирование дорог является многокритериальной задачей и конечной целью ее решения является нахождения варианта трассы, обеспечивающего разумный компромисс в удовлетворении всех вышеперечисленных требований и условий.

5.1. Принципы проектирования трассы в плане

Методы трассирования автомобильных дорог основаны на принципах «гибкой линейки» и «полигонального трассирования».

При системной автоматизации проектных работ трассирование дорог по принципу «гибкой линейки» содержит огромный потенциал развития, поскольку при этом осуществляется непосредственная укладка трассы автомобильной дороги и расчет базиса (полигонального хода для выноса трассы в натуру) не оказывает влияния на формирование эргономических и эстетических свойств этой трассы. По этому же самому обстоятельству тип закруглений может быть сколь угодно сложным в смысле комбинации геометрических элементов трассирования. Однако методы трассирования, основанные на этом принципе, применяются до сих пор редко, как ввиду неподготовленности инженерных кадров, так и из-за методологической незавершенности обоснования приоритетной применимости этих методов в проектной практике.

Традиционный принцип трассирования дорог, который принято называть принципом «полигонального трассирования», до сих пор является доминирующим в практике проектирования в подавляющем большинстве проектных организаций. Методы, которые основаны на этом принципе, относятся к эвристическим. Суть этих методов заключается в том, что назначается полигональный (тангенциальный) ход и в каждый излом этого хода последовательно вписываются закругления. И если расчет закруглений содержит определенный математический алгоритм, то способ назначения самого тангенциального хода основывается лишь на интуиции и профессиональном опыте инженера-проектировщика.

Феномен широкой применимости принципа «полигонального трассирования» можно объяснить тем, что для проектировщиков этот принцип более понятен, методы на его основе просты в расчетах и обеспечивают предельную экономичность полевого этапа работ.

Рассмотрим детально этот принцип трассирования. При «тангенциальном трассировании» трассу можно охарактеризовать как ломаную линию, в изломы которой вписаны кривые. Отрезки прямых представляют собой касательные к кривым, поэтому можно говорить о ломаной как о тангенциальном ходе (полигоне). Заложение полигона в полевых условиях заключается в последовательном отыскании и закреплении его вершин. Осуществляется это, как правило, посредством проложения теодолитного хода. Рациональным началом такого подхода является то, что ошибки, возможные при вписывании какой-либо кривой, не оказывают влияния на достоверность расчетов последующих кривых.

С принципом «полигонального трассирования» практически однозначно связано условие выполнения геодезических изысканий по «пикетному методу». Его суть заключается в следующем: измеряют линии тангенциального хода с помощью мерной ленты, на этой линии закрепляют, как правило, пикеты и характерные точки трассы (водоразделы, лога, пересечения с автомобильными дорогами и инженерными коммуникациями и др.). На каждом последующем отрезке ломаной пикетажное положение точек корректируется с учетом величины домера вписанной кривой. Далее перпендикулярно закрепленным точкам осуществляют съемку поперечных профилей на ширину полосы отвода. Таким образом, тангенциальный ход предопределяет очертания трассы и является основой для всех последующих геодезических работ. Естественно, что изменение или корректировка этой основы (трассы) на этапе камеральных работ практически не возможна.

Отдельного рассмотрения требует процедура вписывания кривых в изломы тангенциального хода. Случай, когда закругление представляет собой круговую кривую (рис. 5.3, а), является простейшим и применяется для дорог II -ой категории при R ³ 2000 м и при R ³ 3000 м для дорог I -ой категории. Для расчета такого закругления при известном угле поворота ( a ) и радиусе кривой ( R ) необходимо вычислить значения тангенса, биссектрисы, длины кривой и домера (см. рис. 5.1):

где Т – тангенс кривой; Б – биссектриса кривой; К – длина кривой; R – радиус круговой кривой; — угол поворота.

Между длиной трассы по тангенсам и по кривой существует следующая связь:

Рис. 5.1. Круговая кривая: А, С – точки начала и конца кривой; В – вершина угла

Когда закругление представлено круговой кривой с переходными кривыми (рис. 5.3, б), расчет не так однозначен, как в первом случае. При равной длине входной и выходной клотоиды закругление является симметричным и необходимо рассчитать те же элементы закругления, что и в первом случае.

Основные элементы закруглений в плане с радиусами кривых, требующими сопряжения с прямыми участками трассы посредством вспомогательных переходных кривых, представлены на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Круговая кривая с переходными кривыми

При устройстве вспомогательных переходных кривых сокращается длина основной круговой кривой, при этом ее центральный угол будет меньше на величину :

где – угол между касательной в конце переходной кривой; L длина переходной кривой; R радиус круговой кривой.

Таким образом, для разбивки круговой кривой со вспомогательными переходными необходимо выполнение условия

При применении переходных кривых происходит сдвижка круговой кривой в сторону ее центра на величину p :

общая длина тангенса при этом

где — координаты точки в конце переходной кривой; t смещение начала закругления после вписывания переходных кривых

Общая длина кривой

где — длина круговой вставки.

Если длины входной и выходной клотоиды не равны между собой, то это – случай несимметричного закругления. При его расчете уже отсутствует понятие биссектрисы закругления, что усложняет процесс закрепления и последующей разбивки такого закругления. В частном случае, если отсутствует круговая вставка между переходными кривыми, то такое закругление называется биклотоидой (симметричной или несимметричной).

Рис. 5.3. Типы закруглений трассы традиционной трассы:
а) круговая кривая; б) круговая кривая с переходными;
в) коробовая клотоида; г) комбинированное закругление

Случаи коробовой клотоиды (рис. 5.3, в) и комбинированного закругления (рис. 5.3, г) являются универсальными и служат для подбора любых очертаний закругления. Расчет таких закруглений представляет собой достаточно сложную аналитическую задачу. Основы решения для составных закруглений известны, однако на практике реализация этих решений крайне затруднительна.

Закругления в виде классического сочетания геометрических элементов «клотоида — круговая кривая – клотоида» наиболее распространены в практике дорожного проектирования, но находят применения и другие типы закруглений (последовательности геометрических элементов). Например: кадиоиды 1-го и 2-го типа (А. А. Белятынский [4]), гиперболы и поликлотоиды (Ю. А. Фортуна [18]), кубические параболы (В. А. Федотов [25]), кривые Безье (В. Н. Бойков [6]). Целесообразность применения этих элементов обосновано соответствующими расчетами и результатами сравнительного анализа.

Наиболее перспективными геометрическими элементами для проектирования закруглений трассы в составе тангенциального хода являются кривые Безье, которые способны принимать формы и свойства всех вышеприведенных элементов. К тому же кривые Безье являются в общем случае пространственными функциями и способны, как было показано в гл. 2, обеспечивать и пространственное (трехмерное) трассирование автомобильных дорог.

5.2. Методы трассирования

5.2.1. Трассирование на основе тангенциального хода

Проект в системе IndorCAD / Road может содержать множество трасс автомобильных дорог. Это связано с тем, что проектирование участка автомобильной дороги сопровождается устройством примыканий, пересечений, развязок. Каждый из этих проектных элементов формируется собственной трассой (трассами). При этом каждая трасса имеет свои параметры проектирования, которые должны быть зафиксированы и отражены в соответствующих настройках.

Понятие Главной трассы в системе не определено. Все трассы равнозначны по отношению друг к другу. Возможна семантическая идентификация трасс, связанная с их именами. Основную проектную трассу можно назвать Главная трасса , съезд на развязке – Правоповоротная рампа на ПК… и т.п. Именованные трассы будут присутствовать в дереве объектов (слоев). При выполнении проектных процедур одна (и только одна) из трасс является активной. Это означает, что все рассматриваемые профили (продольные и поперечные) относятся именно к этой трассе.

Команды для работы с трассами объединены в меню Трасса и частично вынесены на панель инструментов «Трассы». Трасса создается в виде воздушной линии, соединяющей начальную и конечную вершины трассы. Тангенциальный ход трассы задается в режиме редактирования трасс. Для обеспечения плавного изменения формы трассы в ее угловые вершины вписываются кривые, модели и параметры которых выбираются в окне Параметры вершин трассы . После разбивки трассы на поперечные профили проектируется продольный профиль трассы, верх земляного полотна и поперечные профили.

Чтобы создать трассу, включите режим создания трасс. Для этого щелкните кнопку Создание трассы на панели инструментов «Трассы» или выполните команду меню Трасса|Создать . Трасса создается двумя щелчками мыши(см. рис. 5.4), первый из которых задает начальную, а второй – конечную вершины трассы. При этом рядом с курсором появляется сначала цифра один (точка начала трассы (НТ)), затем – два (точка конца трассы (КТ)).

Рис. 5.4. Создание новой трассы

Начальная и конечная вершины трассы могут располагаться в любом месте плана и не зависят от точек ЦММ. На плане трасса отображается линиями красного цвета, количество которых определяется установленным в свойствах трассы режимом отображения.

Обратите внимание, что в дереве объектов проекта появилась новая трасса. Чтобы переименовать трассу, щелкните правой кнопкой мыши на ее названии и в появившемся контекстном меню выполните команду Переименовать…

Рис. 5.5. Новая трасса в дереве объектов

После создания новой трассы система автоматически переходит в режим редактирования для задания тангенциального хода трассы.

Следующим проектным действием, который целесообразно осуществить, должно быть задание свойств этой трассы.

Рис. 5.6. Диалог настройки свойств трассы (вкладка Верх земляного полотна )

Для задания свойств активной трассы в меню Трасса выполните команду Свойства или дважды щелкните на названии трассы в дереве объектов. Откроется диалоговое окно, в котором задаются основные параметры трассы, параметры верха земляного полота, ограничения на продольные уклоны и минимальные радиусы кривых и другие свойства.

В верхней информационной части окна можно определить название и выбрать категорию трассы. При выборе категории можно изменить некоторые свойства трассы на установленные по умолчанию для данной категории. Для этого требуется дать положительный ответ на запрос об изменении свойств трассы.

В нижней части окна отображаются пять вкладок: Верх земляного полотна (рис. 5.6), Параметры (рис. 5.7), Ограничения (рис. 5.8), Потоки (рис. 5.9) и Поверхность (рис. 5.10).

На вкладке Верх земляного полотна можно установить следующие параметры:

· общую ширину верха земляного полотна, проезжей части и разделительной полосы;

· поперечные уклоны обочин, проезжей части и разделительной полосы;

На вкладке Параметры определяются основные параметры трассы и режим отображения трассы в плане.

Рис. 5.7. Вкладка Параметры диалога Свойства трасс

К основным параметрам трассы относятся следующие:

· пикет начала трассы;

· значение руководящей отметки трассы. Устанавливается для контроля возвышения трассы над уровнем грунтовых или поверхностных длительно стоящих вод. При реконструкции и ремонте дорог под руководящей отметкой можно понимать величину усиления дорожной одежды.

· длина расчетного автопоезда (максимальная длина автопоезда, проезд которого гарантирован проетными параметрыми трассы и земляного полотна). Этот параметр используют, в первую очередь, при построении отгонов виражей;

· расстояние видимости (минимальная длина видимого участка дороги);

· расчетная скорость (максимальная скорость автомобиля). Этот параметр также используется при построении отгонов виражей;

· режим отображения. В системе IndorCAD / Road предусмотрено четыре режима отображения трасс: показывать только осевую линию, только бровки, верх земляного полотна, все линии. Выбор того или иного режима осуществляется с помощью переключателя. Если переключатель установлен в опции Отображать в плане по умолчанию , то трасса отображается в режиме, заданном в общих настройках отображения трасс

На вкладке Ограничения определяются следующие значения:

· минимальный и максимальный уклоны продольного профиля;

· минимальные радиусы закруглений трассы в плане, а также выпуклых и вогнутых сегментов в продольном профиле.

Рис. 5.8. Вкладка Ограничения диалога Свойства трассы

При выборе опции Отображать как примыкания в продольных профилях близких трасс данная трасса на продольных профилях всех близких трасс будет отображаться как примыкание.

На вкладке Потоки можно задать направления движения автомобилей по трассе. Для этого следует установить флажки опций Разрешить движение автомобилей в прямом направлении (от начальной вершины трассы к конечной) и/или Разрешить движение автомобилей в обратном направлении (от конечной вершины трассы к начальной).

Рис. 5.9. Вкладка Потоки диалога Свойства трассы

Для того чтобы включить отображение транспортных потоков в 3 D -виде необходимо, что был установлен модуль IndorCADCars . plc , позволяющий отображать автомобильные потоки, и включена видимость объекта Автомобили в дереве объектов.

На вкладке Поверхность определяются следующие свойства трассы:

Рис. 5.10. Вкладка Поверхность диалога Свойства трассы

· существующая поверхность. Имя слоя, который будет являться существующей поверхностью для данной трассы;

· проектная поверхность. Имя слоя, в котором трасса будет формировать проектную поверхность. Выбор опции Разрешать формировать поверхность включает режим динамического обновления ЦМП. То есть любые изменения в трассе вызывают соответствующие изменения поверхности.

Чтобы установленные на всех вкладках параметры вступили в силу, нажмите на кнопку OK , расположенную в правом нижнем углу окна диалога Свойства трассы . Чтобы закрыть диалоговое окно без сохранения внесенных изменений, нажмите на кнопку Отмена .

Задание тангенциального хода

После настройки свойств (параметров) трассы необходимо переходить к заданию тангенциального хода на основе воздушной линии трассы. Тангенциальный ход трассы задается в режиме редактирования трасс. Чтобы включить режим редактирования, щелкните кнопку Редактирование трассы , расположенную на панели инструментов «Трассы«. Режим становится доступным, если активная трасса не разбита на поперечные профили.

Создание вершин углов. Создавать новые вершины (изломы тангенциального хода) можно только на прямолинейных сегментах оси трассы. Для этого поместите курсор на ось трассы (рядом с курсором появится знак плюс) и перетащите его в место расположения новой вершины, удерживая нажатой левую кнопку мыши. Новой вершине будет присвоен номер, определяющий ее положение от начальной вершины трассы, номера остальных вершин изменятся соответствующим образом.

Рис. 5.11. Создание вершин углов трассы

Перемещение вершин. Поместите курсор на вершину (стрелка мыши примет вид прицела ) и, удерживая нажатой левую кнопку мыши, перетащите курсор в новое место расположения вершины. Чтобы проследить изменение параметров при перемещении вершин, откройте окно Параметры вершин трассы , выполнив команду меню Окно|Параметры вершин трассы .

Рис. 5.12. Перемещение вершины трассы

При перемещении вершины трассы с клавишами Ctrl или Shift сохраняется азимут направления предыдущего или следующего за перемещаемой вершиной сегмента.

Удаление вершин. Откройте окно Параметры вершин трассы , из списка вершин трассы выберите вершину, которую требуется удалить, а затем щелкните кнопку Удалить вершину и дайте положительный ответ на запрос системы. Если параметры кривых, вписанных в соседние вершины или количество вершин, не позволяют удалить вершину, то эта команда становится недоступной.

Параметры вершин трассы

Чтобы открыть окно с параметрами вершин активной трассы, щелкните кнопку Параметры вершин трассы на панели инструментов «Трассы» или выполните команду меню Окно|Параметры вершин трассы . В верхней части окна (рис. 5.13) отображается список вершин тангенциального хода трассы, вершины нумеруются в порядке их расположения от начальной вершины трассы. Чтобы установить положение вершины на плане, дважды щелкните мышью по ее названию в списке или щелкните кнопку Найти вершину на панели инструментов диалогового окна Параметры вершин трассы . Положение вершины будет показано с помощью уменьшающихся окружностей.

В области Параметры вершины отображаются X , Y -координаты выделенной вершины (ее название отображается на синем фоне) и параметры кривой закругления, вписанной в вершину.

Рис. 5.13. Параметры вершин трассы

В информационном поле отображается дополнительная информация (рис. 5.14):

Рис. 5.14. Дополнительная информация

· Угол поворота . Угол поворота трассы в вершине;

· ПК начала . Пикет начальной точки закругления в вершине;

· ПК вершины угла . Пикет выделенной вершины;

· ПК конца . Пикет конечной точки закругления в вершине;

· Длина кривой . Длина кривой закругления в вершине;

· Домер . Разность между суммой больших тангенсов и длиной кривой закругления;

· Вставка до . Длина прямолинейного сегмента до начальной точки закругления в вершине,

· Вставка после . Длина прямолинейного сегмента от конечной точки закругления в вершине.

· Длина трассы . Общая длина трассы в метрах.

Чтобы отобразить или скрыть информационное поле, щелкните кнопку-переключатель Показать/Скрыть дополнительную информацию . Для вызова диалогового окна Свойства трассы , щелкните кнопку Свойства трассы .

Для обеспечения плавного изменения формы трассы в ее угловые вершины вписываются кривые. Модели и параметры кривых закругления выбираются в окне Параметры вершин трассы . Чтобы вписать кривую в угловую вершину трассы, выберите модель кривой и задайте параметры кривой в группе элементов Параметры вершины .

Чтобы выбрать модель кривой закругления, щелкните стрелку рядом с кнопкой Модель кривой и выберите модель из появившегося списка, или воспользуйтесь контекстным меню, которое открывается щелчком правой кнопки мыши в поле со списком. Возможен выбор одной из трех моделей: Классическая модель , Безье третьей степени и Безье пятой степени .

Рис. 5.15. Выбор модели кривой: пиктограмма кнопки
демонстрирует модель текущей кривой.

Классическая модель. Эта модель описывает закругление вида клотоида – окружность – клотоида . В частных случаях это закругление может вырождаться в простое в виде дуги круговой кривой (при L 1= L 2=0) или в биклотоиду (при длине круговой вставки равной 0). Классическая кривая определяется следующими параметрами:

· X и Y-координаты угловой вершины трассы ( X , Y );

· входной тангенс (Т1) – расстояние от начала входной клотоиды до вершины;

· выходной тангенс (Т2) – расстояние от вершины до конца выходной клотоиды;

· радиус круговой вставки (R) ;

· длина входящей клотоиды (L1);

· длина исходящей клотоиды (L2).

Рис. 5.16. Классическая кривая

Математическое обоснование кривых Безье для трассирования дорог приведено в гл. 2. Ниже приводится описание кривых Безье 3-й и 5-й степени, применяемых в системе IndorCAD / Road для вписывания кривых в изломы тангенциального хода.

Модель Безье 3-й степени. Описывает закругление по кривой Безье 3-й степени, которая строится по четырем точкам: начальной, конечной точкам закругления и двум промежуточным точкам, расположенным на сторонах угла. Кривая определяется следующими параметрами:

· X, Y-координаты угловой вершины трассы ( X , Y );

· входной тангенс (Т1) – расстояние от начальной точки закругления до вершины;

· выходной тангенс (Т2) – расстояние от вершины до конечной точки закругления;

· малый входной тангенс (t1) – расстояние от первой промежуточной точки до вершины;

· малый выходной тангенс (t2) – расстояние от вершины до второй промежуточной точки.

Рис. 5.17. Кривая Безье 3-й степени

Модель Безье 5-й степени. Описывает закругление по кривой Безье пятой степени, которая строится по шести точкам: начальной и конечной точкам закругления и четырем промежуточным точкам. Кривая определяется следующими параметрами:

Рис. 5.18. Кривая Безье 5-й степени

· X и Y–координаты угловой вершины трассы ( X , Y );

· входной тангенс (Т) – расстояние от начальной точки закругления (точка № 1) до вершины;

· выходной тангенс – расстояние от вершины до конечной точки закругления (точка № 2);

· средний входной тангенс (S) – расстояния от точки № 3, расположенной на стороне угла, до вершины;

· средний выходной тангенс – расстояния от вершины до точки № 4, расположенной на стороне угла;

· малый входной тангенс (М) – расстояние от нормали точки № 5 до вершины;

· малый входной тангенс (М) – расстояние от нормали точки № 5 до вершины;

· малый выходной тангенс – расстояние от нормали точки № 6 до вершины;

· входная нормаль – расстояние по нормали от точки № 5 до стороны угла;

· выходная нормаль ( N ) – расстояние по нормали от точки № 6 до стороны угла.

Для анализа формы кривизны кривых, вписанных в вершины трассы, и их скорости изменения центробежного ускорения в меню Трасса выберите команду Графики 2D-кривых . Для выбора вершины предварительно откройте окно Параметры вершин трассы , выполнив команду меню Окно|Параметры вершин трассы .

В верхней части окна отображается график функции кривизны закругления в выбранной вершине. Пунктирные линии задают интервал допустимых значений функции, который определяется ограничением на минимальный радиус закруглений трассы. Если значения функции принадлежат этому интервалу, то график отображается синим цветом, иначе – красным. Знак функции показывает направление поворота (положительные значения функции соответствуют правому повороту). Заметим, что минимальный радиус трассы определяется на вкладке Ограничения диалогового окна Свойства трассы , которое открывается командой меню Трасса|Свойства…

Второй график показывает скорость изменения центробежного ускорения на кривой, вписанной в выбранную вершину. Пунктирные линии задают интервал допустимых значений скоростей (м/с 3 )
[-0.5, 0.5]. Если скорость изменения центробежного ускорения удовлетворяет этому интервалу, то график отображается зеленым цветом, иначе – красным.

В строке статуса данного окна отображаются параметры точки, на которую указывает курсор:

· S – расстояние от начала закругления до точки, м;

· J – скорость нарастания центробежного ускорения, м/с 3 ;

· R – радиус закругления трассы в выбранной точке, м.

Рис. 5.19. Графики 2 D -кривых классической модели закругления трассы

На рис. 5.19 представлены графики кривизны и скорости нарастания центробежного ускорения (СНЦУ) для закругления типа «клотоида-круговая кривая-клотоида». На начальном участке закругления (по длине клотоиды) кривизна изменяется линейно, а СНЦУ является константой. На участке круговой кривой кривизна – константа, а СНЦУ равна нулю. На конечном участке кривой законы изменения дифференциальных свойств закругления такие же, как и начальном участке. Отметим, что изломы графика кривизны и разрывы СНЦУ на стыках клотоид и круговой кривой отражают как математическое несовершенство, так и, как следствие, транспортно-эксплуатационное несовершенство такого типа закругления трассы автомобильной дороги.

Совершенно иную перспективу в этом смысле нам открывают кривые Безье. На рис. 5.20 представлены графики закругления, близкого по очертаниям закруглению, анализируемому на рис. 5.19, но запроектированному посредством кривой Безье 3-й степени.

Рис. 5.20. Графики 2 D -кривых закругления трассы по типу Безье-3.

Как видно из рис. 5.20, график кривизны такого закругления имеет колоколообразную форму, характеризующуюся отсутствием разрывов и изломов. А график СНЦУ имеет S —образную форму и также как график кривизны, не имеет изломов и разрывов по длине закругления.

Еще более полезные и разнообразные свойства (потребительские качества) имеют кривые Безье 5-й степени (Безье-5), которые способны единой кривой моделировать серпантины 1-го и 2-го рода, правосторонние и левосторонние рампы транспортных развязок.

При проектировании дорог в горной местности с целью смягчения больших продольных уклонов на затяжных участках крутых склонов, в некоторых случаях, приходится развивать трассу, представляя ее зигзагообразной линией с острыми внутренними углами поворота [16]. Вписывание кривых внутрь острых углов не дает желаемого результат, поскольку при этом не обеспечивается должного развития трассы. Это обусловлено тем, что длины кривых оказываются несоизмеримо меньшими суммы тангенсов. В таких случаях предусматривают сложные закругления с внешней стороны углы, называемые серпантинами.

Серпантина представляется основной кривой, огибающей с внешней стороны центральный угол, двумя вспомогательными (как правило, обратными) круговыми кривыми и прямыми вставками для размещения переходных кривых, отгонов виражей и уширений проезжей части. Как видно из описания, серпантина представляет собой последовательность из трех закруглений, каждое из которых является составным.

Серпантины бывают: 1-го рода, когда обе вспомогательные кривые имеют кривизну другого знака по отношению к основной кривой: 2-го рода, когда одна вспомогательная кривая имеет кривизну одного знака (положительная или отрицательная) с основной кривой, а другая вспомогательная кривая – кривизну с другим знаком.

Выполним построение серпантины 1-го рода единой кривой Безье-5.

Рис. 5.21. Серпантина 1-го рода на основе кривой Безье-5

Как видно из рис. 5.21, серпантина 1-го рода построена на основе кривой Безье-5 при следующих ее параметрах:

Рис. 5.22. Серпантина 2-го рода на основе кривой Безье-5

Если принять величину больших тангенсов за 1, то средние тангенсы установлены на величину примерно 0.5; малые тангенсы имеют значения, близкие к нулю; обратные кривые порождаются за счет положительных величин нормалей малых тангенсов. Варьируя параметрами тангенсов и нормалей, можно получать те или иные требуемые очертания серпантины. Также отметим, что подбором соответствующих параметров кривой нам удалось получить в центральной части закругления кривую с постоянным радиусом кривизны.

Серпантина 2-го рода (рис. 5.22) построена при следующих величинах управляющих параметров кривой Безь-5: выходной большой тангенс существенно (в 1.5-2 раза) больше входного тангенса; входной средний и малый тангенсы имеют значения, близкие к нулю, в то время как выходной средний и малый тангенсы имеют значения около 0.5 от величины выходного большого тангенса; и, самое главное, входная нормаль имеет отрицательную величину, что позволяет построить входную вспомогательную кривую того же знака, что и главная кривая.

Правоповоротные рампы транспортных развязок по ситуационным или высотным условиям пересекающихся дорог могут иметь те или иные очертания. Самые простые очертания проектируются по одноцентровой схеме. Это означает, что закругление рампы имеет одну центральную кривую и ее расчет может быть выполнен по схеме традиционного закругления трассы в виде последовательности элементов «клотоида – круговая кривая – клотоида».

Значительно сложнее выполнить расчет, если очертания правоповоротной рампы представляют собой схему с двумя или тремя центрами кривизны. Кривая Безье-5 способна моделировать все эти три случая проектирования рампы. Рассмотрим построение кривой Безье-5 на примере схемы с 3-мя центрами кривизны.

Рис. 5.23. Правоповоротная рампа с 3-мя центрами кривизны
на основе кривой Безье-5

Параметры построения правоповоротной рампы с 3-мя центрами кривизны с помощью кривой Безье-5 имеют следующие величины (рис. 5.23): средние тангенсы в 1.5-2 раза меньше больших тангенсов; величина малых тангенсов превышает значения средних тангенсов; нормали малых тангенсов имеют отрицательные значения и их величина во многом определяет очертания и величину средней из 3-х кривых, образующих рампу.

Левоповоротные рампы транспортных развязок, так же, как и правоповоротные, по ситуационным или высотным условиям пересекающихся дорог могут иметь те или иные очертания. Расчетные схемы их построения существенно сложнее, чем для правоповоротных рамп, поскольку угол поворота трассы на левоповоротной рампе составляет величину 270º и выше. Но и здесь кривые Безье-5 способны моделировать эти очертания рамп.

Если установить величину больших тангенсов близкую к нулю, а величину средних и малых тангенсов достаточно большую, то кривая Безье-5 будет строиться ни как кривая, стягивающая внутренний угол α, а как кривая с углом поворота 360º–α. Таким образом, мы получаем левоповоротную рампу (см. рис. 5.24), очертания которой можно регулировать ее управляющими параметрами – тангенсами и нормалями.

Рис. 5.24. Левоповоротная рампа с 2-мя центрами кривизны
на основе кривой Безье-5

Система IndorCAD / Road имеет еще ряд функций и инструментов, которые позволяют проводить определенные операции над трассами на основе тангенциального трассирования для выработки оптимальных проектных решений. Их описание приведено ниже.

Операции с трассами

Инвертирование трассы. Чтобы изменить направление трассы (направление пикетажа) на противоположное, сделайте трассу активной и выполните в меню Трасса команду Инвертировать . Инвертировать можно только неразбитые на поперечные профили трассы.

Клонирование трассы. Чтобы скопировать (клонировать) активную трассу, выполните в меню Трасса команду Клонировать . Копия трассы будет повторять траекторию оригинала, иметь такие же координаты, параметры закруглений в угловых вершинах, разбивку, продольный профиль, верх земляного полотна и поперечный профили. С клоном можно выполнять какие-либо корректировки, не затрагивая оригинал трассы. Таким образом, клонирование способствует выполнению вариантного проектирования дорог.

Поворот и сдвиг трассы. Чтобы повернуть или переместить трассу, сделайте трассу активной и выберите в меню Трасса команду Поворот и сдвиг… Эта команда доступна только для неразбитых на поперечные профили трасс. В появившемся диалоговом окне задайте угол поворота трассы относительно ее начальной вершины и величину смещения трассы, указав новые X , Y -координаты ее начальной вершины или величину смещения начальной вершины по оси X и Y .

При изменении параметров в окне Поворот и сдвиг трассы положение трассы отображается на плане жирной линией черного цвета. Чтобы установленные параметры вступили в силу, нажмите на кнопку OK . Кнопка Отмена закрывает диалоговое окно без сохранения внесенных изменений.

Рис. 5.25. Поворот и сдвиг трассы

Удаление трассы. Для удаления активной трассы в меню Трасса выполните команду Удалить… и дайте положительный ответ на запрос системы. Или щелкните правой кнопкой мыши на названии трассы в дереве объектов и выполните команду Удалить трассу из контекстного меню.

Р азбивка трассы на поперечные профили

Разбивка трассы. Чтобы разбить трассу на поперечные профили, сделайте трассу активной и выполните в меню Трасса команду Разбить… В появившемся диалоговом окне задайте шаг разбиения (по умолчанию шаг разбиения составляет 25 метрам). Для создания дополнительных поперечных профилей на пикетах начальных и конечных точек кривых, вписанных в угловые вершины трассы, выберите опцию Дополнительные поперечники на главных точках трассы .

Рис. 5.26. Разбивка трассы на поперечные профили

Чтобы изменить шаг разбиения для всей или отдельных участков трассы, повторите команду меню Трасса|Разбить… При повторном разбиении в окне диалога Разбивка трассы становятся доступными поля Начало участка , Конец участка , где можно ввести значения пикетов начальной и конечной точек участка (эти значения могут совпадать с начальной и конечной вершинами трассы). Новые поперечные профили интерполируются по уже существующим профилям, которые затем удаляются.

Удаление разбивки. Для удаления разбивки активной трассы в меню Трасса выполните команду Удалить разбивку .

Добавление поперечного профиля. Для создания дополнительного поперечного профиля на активной трассе в меню Трасса выполните команду Добавить поперечный профиль или щелкните кнопку Добавить поперечный профиль на панели инструментов «Трасса». Курсор мыши примет вид прицела с перпендикуляром, проведенным к активной трассе, а в статус-строке появятся координаты курсора относительно трассы. Щелкните левой кнопкой мыши и в появившемся диалоговом окне укажите точное значение пикета нового поперечного профиля. При нажатии кнопки ОК создается новый поперечный профиль, который интерполируется по соседним поперечным профилям. Кнопка Отмена позволяет отменить добавление поперечного профиля и вернуться к работе с трассой.

Удаление поперечного профиля. У разбитых на поперечные профили трасс можно удалить любой поперечный профиль, кроме первого и последнего. Для этого выберите трассу и сделайте текущим тот профиль, который требуется удалить. В меню Трасса выполните команду Удалить текущий поперечный профиль. или щелкните кнопку Удалить текущий поперечный профиль на панели инструментов «Трасса», а затем дайте положительный ответ на запрос системы об удалении поперечного профиля.

Для сопряжения элементов трасс в системе IndorCAD / Road предусмотрен режим увязки трасс. Увязка трасс предполагает плановое и/или вертикальное сопряжение кромок и бровок активной трассы с кромками, бровками или осью любой другой трассы, разбитой на поперечные профили. Чтобы включить режим увязки трасс, щелкните кнопку Увязка трассы , расположенную на панели инструментов «Трассы». Режим становится доступным только для трасс, разбитых на поперечные профили. Для увязки трасс:

· выделите на активной трассе исходную точку сопряжения. В качестве исходной точки можно использовать любую точку кромки или бровки, расположенную на линии поперечного профиля активной трассы;

· линия поперечного профиля будет продолжена до пересечения с другими разбитыми трассами. Все точки, к которым можно выполнить увязку, будут подсвечены;

Рис. 5.29. Увязка трасс: желтым цветом подсвечивается
исходная точка сопряжения, розовым – возможные точки увязки

· перетащите исходную точку к сопрягаемой точке;

· откроется диалоговое окно Параметры увязки для выбора метода вертикальной увязки: увязка с Изменением уклона или с Изменением отметки оси трассы . Чтобы выполнить только плановую увязку трасс, отключите флажок опции Вертикальная увязка . Нажмите на кнопку ОК .

Рис. 5.30. Параметры увязки

Процедура увязки трасс с последующей увязкой проезжих частей, обочин и откосов имеет огромное значение для выработки качественных проектных решений. Посредством этой процедура осуществляют сопряжение примыканий и пересечений, а также сопряжения соединительных рамп транспортных развязок.

Рассмотрим пример реализации этой процедуры на практическом примере. Алгоритм выработки проектного решения по сопряжению основной дороги с примыканием можно описать в виде последовательности из 8 шагов.

Шаг 1. Проектируется основная трасса, выполняется ее разбивка и формирование верха земляного полотна.

Шаг 2. Создаётся второстепенная трасса с привязкой к кромке или оси основной трассы (рис. 5.31)

Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS

В нормативно-техническом акте описан порядок производства работ по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с помощью аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем. Рассмотрены: порядок проведения проектирования, рекогносцировки, производства спутниковых определений различными методами и даны общие рекомендации по предварительной вычислительной обработке.

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ
РОССИИ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ, КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ИНСТРУКЦИИ
НОРМЫ И ПРАВИЛА

ИНСТРУКЦИЯ
ПО РАЗВИТИЮ СЪЕМОЧНОГО
ОБОСНОВАНИЯ И СЪЕМКЕ
СИТУАЦИИ И РЕЛЬЕФА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ
НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS

Обязательны д ля исполнения всеми субъектами
геодезической и картографической деятельности

В настоящем нормативнотехническом акте о писан порядок производства работ по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с помощью аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем. Рассмотрены: порядок проведения проектирования, рекогносцировки, производства спутниковых определений различными методами и даны общие рекомендации по предварительной вычислительной обработке.

Введение

1.1. Наст оящий нормативно-технический акт (НТА) «Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS» (далее — Инструкция) разработан с соблюдением требований «Инструкции о порядке разработки и утверждения нормативно-технических и методических актов на производство топографо-геодезических и картографических работ на территории Российской Федерации» ([14]) и по классификации, цели, назначению, форме и содержанию соответствует виду НТА «инструкция».

1.1.1. Инструкция разработана в соответствии с действующими «Основными положениями по созданию топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500» ([1]), «Основными положениями по созданию и обновлению топографических карт масштабов 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000» ([2]) и «Основными положениями по выбору масштаба и высоты сечения рельефа топографических съёмок населённых пунктов» ([3]) (далее эти НТА — Основные положения). Она дополняет нормативно-техническую базу, регламентирующую создание съёмочного обоснования и производство топографических съёмок крупных масштабов, в части применения аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS (далее — спутниковой аппаратуры) для производства названных видов работ.

1.1.2. При рассмотрении вопросов, не относящихся непосредственно к спутниковой технологии развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа, а являющихся общими для топосъёмочных работ, в инструкции использованы нормативные положения, содержащиеся в действующих НТА «инструкция по топографическим съёмкам в масштабах 1:10000 и 1:25000 полевые работы» ([10]) и «инструк ция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500» ([11]).

Рассмотрение же спутниковой технологии развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа осуществлено с опорой на эксплуатационную документацию спутниковой аппаратуры различных типов и прилагаемого к ней программного обеспечения. При этом Инструкция не заменяет эксплуатационных документов и не содержит имеющихся в них указаний по порядку подготовки и ведения работ с аппаратурой конкретных типов и программными пакетами.

1.2. При обеспечении съёмок масштаба 1:10000 спутниковая технология может быть применена для развития съёмочного обоснования (планово-высотной привязки опознак ов). При съёмках масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500 (далее — крупномасштабных съёмках) эта технология может быть применена как для развития съёмочного обоснования, так и для съёмки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5,0; 2,5; 2,0; 1,0; 0,5 м.

1.3. В Инструкции для видов полевых работ развитие съёмочного обоснования и съёмка ситуации и рельефа с необходимой полнотой и детализацией рассмотрены все технологические процессы, обеспечивающие возможность производства этих работ с применением глобальных навигационных спутниковых систем. Эти материалы изложены в разделах «2 Общая часть», «3 Назначение и содержание топографических планов, создаваемых с применением глобальных навигационных спутниковых систем», «4 Общие требования к проектированию и сбору топографо-геодезических материалов для проведения съёмочных работ с применением глобальных навигационных спутниковых систем», «5 Основные принципы и положения спутниковой технологии выполнения съёмочных работ», «6 Съёмочное обоснование», «7 Съёмка ситуации и рельефа». Заключительная часть Инструкции включает приложения и список литературы.

1.4. В разделах 2, 3 и 4 рассмотрена исходная нормативно-техническая база и вопросы проведения работ, предшествующих производству собственно полевых геодезических измерений, общие по отношению к рассматриваемым видам топосъёмочных работ — развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа.

1.5. В разделе 5 даны материалы, отражающие основные понятия и принципы спутниковой технологии и её приме нения для решения задач крупномасштабных топографических съёмок. Здесь изложены:

· используемые понятия и термины;

· краткие сведения о системах ГЛОНАСС и GPS , методах и режимах спутниковых определений;

· структура радиосигнала и факторы, влияющие на его прохождение;

· влияние конфигурации спутникового созве здия на томность спутниковых определений и фактор понижения точности ( DOP );

· понятие о методах от носительных спутниковых определений;

· ос новные технические требования, предъявляемые к приёмникам, используемым для развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа;

· порядок проверки готов ности аппаратуры и исполнителей к проведению работ на объекте;

· указания по прог нозированию спутникового созвездия;

· общие указания по выполнению с путниковых определений.

Эти материалы служат как для общего ознакомления с основными элементами спутниковой технологии ведения работ, так и, в ряде случаев, в качестве указаний по производству работ, общих для развития съёмочного обоснования и съёмки ситуации и рельефа.

1.6. В разделе 6 изложено проектирование и все этапы полевых работ по развитию съёмочного обоснования с применением спутниковой технологии: рекогносцировка, предварительная подготовка к производству полевых работ и их проведение, даны общие рекомендации по вычислительной обработке. В подразделе «Указания по проектированию съёмочного обоснования» изложен порядок выполнения проектирования и рассмотрены все основные этапы использования спутниковой технологии для решения рассматриваемой топографо-геодезической задачи. В подразделах, касающихся проведения рекогносцировки, предварительной подготовки к полевым работам и порядка их проведения, главное внимание уделено рассмотрению специфики ведения названных работ при применении спутниковой технологии. Рекомендации по вычислительной обработке охватывают этап вычислений, завершающий полевые работы. Целью этого этапа, как обычно, является получение каталога координат и высот пунктов съёмочного обоснования. В заключении этого раздела изложен порядок оформления и представления отчётных материалов по результатам создания съёмочного обоснования.

1.7. Раздел 7, касающийся применения спутниковой технологии для съёмки ситуации и рельефа , подготовлен и включён в Инструкцию для тех случаев топографо-геодезической практики, когда проведение таких работ с использованием данной технологии технико-экономически оправдано. Техническая возможность ведения таких работ открывается там, где имеющиеся на местности естественные и искусственно созданные объекты допускают выполнение спутниковых наблюдений.

Основное преимущество проведения съёмки ситуации и рельефа с применением спутниковой технологии заключается в том, что при её осуществлении отпадает необходимость создания геодезических сетей сгущения, создания съёмочного обоснования и его сгущения, поскольку методы спутниковых определений по дальности и точности принципиально обеспечивают возможность проведения съёмочных работ непосредственно на основе государственной геодезической и нивелирной сети, имеющей плотность по п. 2.22 настоящей Инструкции.

В разделе и зложены все необходимые аспекты производства работ по съёмке ситуации и рельефа с применением спутниковой технологии, включая проектирование работ, рекогносцировку, производство работ и даны рекомендации по полной камеральной обработке материалов съёмки, включающей: проверку полевых журналов и составление подробной схемы привязки, вычисление координат и высот всех пикетов, накладку точек геодезической основы и пикетных точек, проведение горизонталей и нанесение ситуации, и контролю съёмки.

1.8. В заключ ительной части Инструкция содержит 10 приложений, представляющих собой в основном справочные материалы, касающиеся ведения съёмочных работ с применением спутниковой технологии и оформления документации, а также список литературы.

2. Общая часть

2.1. Настоящая Инструкция детализирует технические требования Основных положений [1, 2, 3] и конкретизирует технологические схемы производства работ по созданию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем. Инструкция определяет назначение работ; порядок выбора: систем координат и высот, картографических проекций, масштабов топографических съёмок, сечения рельефа; устанавливает технические требования к точности, способам, методам и технологиям (методикам) производства работ; определяет средства и методы измерений; устанавливает требования к математической обработке результатов измерений и качеству работ, определяет порядок контроля и приёмки работ, каталогизации и оформления материалов.

2.2. В общем случае для развития съёмочного обоснования приме нение спутниковой технологии (аппаратуры и методов) не имеет существенных ограничений, поскольку точность этой технологии удовлетворяет предъявляемым требованиям, а при выборе местоположения пунктов съёмочной сети почти всегда легко обеспечить возможность беспрепятственного проведения спутниковых наблюдений. Поэтому для масштабного ряда 1:10000, 1:5000. 1:2000, 1:1000 и 1:500 развитие съёмочного обоснования может проводиться спутниковой аппаратурой и методами.

2.3. Пр и обеспечении съёмок масштаба 1:10000 спутниковая технология может быть применена для развития съёмочного обоснования (планово-высотной привязки опознаков). При крупномасштабных съёмках эта технология может быть применена как для развития съёмочного обоснования, так и для съёмки ситуации и рельефа с высотами сечения рельефа 5,0; 2,5; 2,0; 1,0; 0,5 м.

2.4. Ре зультатом съёмки ситуации и рельефа являются топографические планы масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500 (далее — планы).

2.5. Топографические планы могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.

2.6. Топографический план в графическом виде выполняют на чертёжной основе. Чертёжные основы должны иметь малую деформацию и изготавливаться из прозрачных пластических материалов (плёнок) или чертёжной бумаги высокого качества (фотобумаги), закреплённых на жёсткой основе.

2.7. При созда нии топографического плана необходимо применять действующие «Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500» ([4]) (далее — Условные знаки) с учётом указаний Роскартографии или ее территориальных инспекций Государственного геодезического надзора относительно особенностей их применения и рекомендаций инструкции [11].

2.8. На топографических планах , как правило, изображают все объекты и контуры местности, элементы рельефа, предусмотренные действующими Условными знаками.

2.9. Для решения отдельных отраслевых (ведомственных) задач можно создавать специализированные топографические планы.

Технические требования к специализированным топографическим планам изложены в ведомственных инструкциях, согласованных с Роскартографией.

Требования, не предусмотренные такими инструкциями или общеобязательными НТА Роскартографии, могут допускаться лишь в порядке исключения по согласованию с органами Государственного геодезического надзора Роскартографии.

При создании специализированных топографических планов допускается отображение на плане только части ситуации местности, применение нестандартных сечений рельефа, снижение или, наоборот, повышение требований к точности изображения контуров и рельефа местности.

На специа лизированном топографическом плане в зарамочном оформлении должно быть указано назначение плана, метод (например, «Топографический план нефтепровода, спутниковая технология») и точность съёмки.

2.10. При съёмке ситуации и рельефа выбор местоположе ния пикета определяют, исходя из требований получения максимально полной информации о местности. Во многих случаях проведения наземных съёмочных работ, особенно в черте городов и промышленных объектов, имеющих высокие (более 3 м) сооружения и растительность, эти требования вступают в противоречие с требованиями обеспечения возможности беспрепятственного проведения спутниковых наблюдений. Высокие здания, сооружения, высокая густая растительность являются препятствиями для прохождения радиосигнала и поэтому не допускают возможности проведения спутниковых наблюдений. Там, где имеющиеся на местности естественные и искусственно созданные объекты позволяют производить съёмочные работы, используя спутниковые определения, такие работы целесообразно проводить. Это могут быть территории одноэтажной гражданской и промышленной застройки (объекты торговли и коммунального хозяйства, склады, гаражи и т.п.), транспортные объекты (железные и автомобильные дороги, трубопроводы, каналы, аэродромы), акватории, зоны отдыха, участки государственной границы и др.

2.11. При выборе высоты сечения рельефа для топографической съёмки необходимо руководствоваться следующими положениями.

2.11.1. Для различных масштабов съёмки следует использовать высоты сечения рельефа, приведённые в табл. 1 .

2.11.2. В пределах одного листа карты масштаба 1:10000 (далее — карты), как правило, высоту сечения рельефа не изменяют. При съёмке с основным сечением 1,0 м для участков с расчленённым рельефом, а также залесённых, разрешается применять сечение рельефа через 2,0 м.

Две высоты сечения рельефа разрешается применять на значительные по площади участки съёмочного планшета плана, где преобладающие углы наклона местности различаются на два и более градуса.

2.11.3. Для изображения характерных деталей рельефа, не выражающихся горизонталями основного сечения, следует применять дополнительные горизонтали (полугоризонтали) и вспомогательные горизонтали. Полугоризонтали обязательно проводят на участках, где расстояния между основными горизонталями превышают 2,5 см на плане.

Изображение рельефа дополняется характеристиками относительных высот (глубин) выделяющихся форм рельефа, надписями горизонталей и указателями направления скатов.

2.12. При большой контурной нагрузке, например, при наличии большой сети подземных коммуникаций и поверхностных трубопроводов различного назначения, планы можно создавать расчленённо, по элементам, на двух или трёх совмещаемых между собой листах. Рекомендуется штифтовое их соединение.

Высоты сечения рельефа для топографических съёмок

Эффект «трассирования» для навигации

Больше 40 лет развития систем визуализации, особенно, систем реального времени, привели к значительному разнообразию как алгоритмических, так и архитектурных решений. Реализации графических систем можно сравнивать по комплексному показателю — отношению качества полученного изображения к аппаратурной сложности системы, то есть ее стоимости. Современные графические системы, позволяют для каждого конкретного применения формировать свою архитектуру системы. Графические аппаратные и программные системы являются высокопроизводительными и, в то же время, довольно дорогими. В связи с этим актуальной задачей на современном этапе является правильный выбор конфигурации системы, то есть достижение необходимого качества путем минимальных затрат.

Целью работы является исследование и анализ эффективной оптимизации алгоритма трасировки лучей, при котором уменьшится окончательная стоимость графического устройства для трасировки сцены изза уменьшения окончательного количества GPU и увеличится скорость синтеза изображения.

Научная значимость

Разработка ускоренной системы синтеза фото реалистических изображений с помощью внедрения интерполяции пикселей.

Алгоритм трассирования лучей
Метод трассировки лучей обеспечивает генерацию изображений фотографического качества. Считается, что метод трассирования лучей дает самую большую возможную степень реализма. При построении изображения луч посылается в заданном направлении для оценки приходимой оттуда световой энергии. Эта энергия определяется освещенностью первой поверхности, которая встретилась на пути луча. Механизм возникновения освещенности следующий.

Каждый источник света выпускает лучи во всех направлениях. Попадаясь на поверхность, луч частично преломляется, частично отбивается и частично рассеивается. Проходя через прозрачный материал, луч претерпевает естественное ослабление.

Различают прямую и обратную трассировку лучей.

Прямая трассировка лучей очень неэффективна из-за того, что начальная точка луча – источник света.

При обратной трассировке лучей отслеживаются только лучи, которые попадают в глаз наблюдателя. Это выполняется таким способом. Из глаза наблюдателя через каждый пиксель экранной плоскости в синтезированную сцену пропускается луч, и потом он отслеживается в обратном направлении. Когда луч наталкивается на поверхность, интенсивность соответствующего пикселя определяется освещенностью ближайшей точки пересечения луча с поверхностью. Если на пути луча не возникает никакого объекта, берется освещенность окружающего пространства (неба или земли специально спроектированной однородной модели поверхности) (рисунок 1).

Рисунок 1 — Модель алгоритма трасировки лучей (анимация, 7 кадров, 79КБ)

В алгоритме используются несложные математические соотношения. При этом вычисление на этапах геометрических преобразований, расчеты параметров освещенности и растрирования выполняются одновременно, однако, это требует значительных затрат времени, что до недавнего времени не позволяло использовать его как метод синтезирующих ГСРЧ.

Разработка алгоритмов межпиксельной интерполяции для ускорения алгоритма трассирования лучей.
Для оптимизации алгоритма трассировки лучей возможно:

  1. ускорить анализ пересечения луча/объекта;
  2. разпаралелить часть задач.

Так как для большинства задач скорость рэндэринга намного важнее, чем корректность отображения картинки, для ускорения работы алгоритма трассировки лучей в его структуру вносятся ряд разных модификаций.

Конечно, увеличение частоты генерации кадров достигалось за счет снижения качества картинки при движении камеры и объектов.

Очевидно, что смежные пиксели трассируемого изображения имеют приблизительно одинаковый цвет. На практике, сцена средней загруженности, имеет около 70% пиксельных сегментов (области пикселей, которые различаются по цвету менее чем на 1 % (Рисунок 2)) и приблизительно только 8% крайних областей (области пикселей, которые различаются по цвету более чем на 25 %). Эти данные приведены для того, чтобы показать – большая часть времени тратится на обработку пикселей с приблизительно одинаковым цветом. Идея и состоит в изменении этой ситуации.

Рисунок 2 — Линейная интерполяция ряда пикселей

Хотя длина сегмента на практике может меняться, чаще всего, она составляет 4-6 пикселей, поэтому применение сложных методов интерполяции не целесообразно, и поэтому в этой работе вычисление цвета внутренних пикселей будет выполняться по формуле 1:

Pinner = (Pleft + Pright )/2 (1)

Основное преимущество данного подхода состоит в простоте и высокой эффективности. Но теперь встает вопрос — как определить местонахождение сегментов. Классический алгоритм трассирования лучей прослеживает каждый пиксель плоскости независимо, итак, если нет предыдущей информации, то нельзя гарантированно точно выделить однородные сегменты пикселей.

Таким образом, основная идея модификации алгоритма трассирования состоит в следующем:

  1. трассировать меньше пикселей, чем их общее количество, которое определяется разрешением изображения;
  2. для получения значения непрослеженных пикселей применяется механизм интерполяции;
  3. для получения желательного качества рэндэринга, используется шаг трассировки и коэффициент максимального расхождения цвета крайних пикселей;
  4. при неэффективности трассирования корректируется ее шаг.

Интерполяция — в вычислительной математике способ нахождения промежуточных значений величины по имеющимся дискретном наборе известных значений.

Блочная межпиксельная интерполяция
Введем соглашения исходя из структуры аппаратного обеспечения:

  1. каждому пикселю изображения назначают свой процессорный элемент (PE) (возможно виртуальный);
  2. два смежных PE вычисляют крайние пиксели одного сегмента;
  3. у каждого PE есть идентификатор, который меняется в пределах от 0 до Nmax;
  4. все процессорные элементы имеют идентичную структуру

Рассмотрим изображение 1024 на 1024 пикселей, и предположим, что каждому пикселю назначался свой процессорный элемент. Выходит огромное число процессоров (1 058 576). Что совсем не приемлемо. Таким образом, применение вышеупомянутого метода, взяв блоки 4 на 4 полностью обосновано.

Самое оптимальное решение интерполировать не строки, а блоки размером 4 на 4 пикселя (рисунок 3).

Рисунок 3 — Пример блоковой интерполяции 4 на 4 пикселя

То есть, трассировка выполняется только для 4 пикселей, которые находятся в углах блока. Значение других пикселей получаем с помощью интерполяции по формуле 1.

Таким образом, повышается производительность в сравнении с простым алгоритмом трассирования лучей.

Практическая ценность
Увеличение производительности системы происходить за счет аппаратных затрат.

Общее количество процессоров для блочной интерполяции может быть рассчитано как:

PE_блочная_интерполяция = (int [( n-1) / (k+1)] +1) ^ 2

Для картинки 1024 на 1024 пикселя, трассируемой блоками 4 на 4 пикселя:

PE_блочная_интерполяция = ([( 1024-1) / (2+1)]+1 ) 2 = 116 964

Уменьшение количества процессоров составило около 7 раз. Так же следует заметить, что интерполяции в каждом блоке подвергались только по два внутренних пикселя, на основании чего можно сказать, что практически вся интерполяция была успешной.

Сегодня технология трассирования лучей применяется изза трудоемкость только корпорациями, подразделами, которые специализируются на создании спец эффектов для кинофильмов, на создании мультипликационных фильмов. Так же эта технология довольно сильно распространена в сфере работы с трехмерной графикой, где нужно только синтезировать один кадр, одну сцену, технология используется для получения высококачественных изображений в программном обеспечении, таком как Maya, 3D Max, Autodesk.

В последние годы очень далеко вперед шагнули графические процессоры производства nVidia и AMD. Сегодня даже бюджетные графические решения этих двух гигантов имеют от 100 графических независимых блоков, которые позволяют быстро (параллельно) обрабатывать данные. Эти графические процессоры во много раз быстрее справляются с задачами, связанными с вычислениями и форматом чисел QFLOAT (4 точные числа), чем современные процессоры (рисунок 4).

Рисунок 4 — Сравнительная характеристика GPU/CPU

Сегодня nVidia и AMD уже представили обозрению API собственных движков графического рэндэринга, основанного на алгоритме трассировки лучей, так что в ближайшем будущем следует ожидать появления компьютерных игр, в которых за визуализацию будет отвечать алгоритм трассирования лучей, что существенно повлияет в лучшую сторону на качестве компьютерной 3D графики.

В рамках магистерской работы была разработана программная модель (рисунок 5), которая реализует алгоритм трассирования лучей, поддерживает алгоритмы просчета теней, частичного затенения, собственного затенения, отражений, рассеивания, отблесков, сглаживания.

Рисунок 5 — Програмная реализация алгоритма трассировки лучей (анимация, 5 кадров, 150КБ)

Обзор исследований по теме в ДонНТУ

В ДонНТУ тему ускорения алгоритма трассировки лучей рассматривает Иванова Екатерина Владимировна.

Обзор исследований по теме в Украине

К сожалению, в Украине ни в одном ВУЗе тема ускорения алгоритма трассировки лучей не рассматривалась.

Обзор исследований по теме в мире

Методами оптимизации и ускорения алгоритма трассировки лучей для получения фото реалистических изображений занимаются мировые известные компании, которые специализируются на разработке визуальных эффектов, созданию мультфильмов (PIXAR), компании, которые специализируются на разработке аппаратного обеспечения для ПК (INTEL, nVidia, AMD), компании, которые специализируются на разработке специализированного компьютерного оборудования (Caustic, Splutterfish).

Из-за того, что метод трассирования лучей очень требователен к аппаратной составляющей, даже мировой лидер по созданию визуальных мультфильмов PIXAR использует эту технологию не для всех разработок, чтобы не перегрузить существующие вычислительные мощности. Аналогичную ситуацию испытывает компания Lucas Arts.

INTEL предлагает использование инструкций пакетной обработки данных SSE 1,2,3,4,5+ для ускорения работы с набором(пакетом) данных (векторов).

Трассирование лучей по своей сущности исключительно удачно подходит для параллельных вычислений. Для расчета отдельных лучей не используются общие даные, поэтому лучи могут рэндэриться в произвольном порядке. Это означает, что алгоритм трассировки лучей теоретически может использовать преимущества современных процессорных технологий. При том, что большинство приложений могут лишь частично выполняться в параллельном режиме, трассировка лучей сравнительно легко адаптируется к таким технологиям параллельной обработки данных, как SIMD, Hyper-Threading и многоядреные процессоры.

Использование технологии SIMD для метода трассировки лучей немного проблематично. Алгоритм трассировки лучей становится зависимым от пропускной способности памяти, поскольку каждый луч рассчитывается как проходящий через некоторую пространственную структуру и проверяется на предмет пересечения с несколькими примитивами для определения ближайшей точки пересечения.

nVidia пошла своим путем. Так как корпорация специализируется на выполнении мощных видео чипов, построенных на конвейерной структуре с многочисленным количеством параллельно работающих блоков (высокопроизводительная серия чипов GeForce Quadro/Tesla), которые выполняют операции над отдельными пикселями и треугольниками, то есть фактически входными данными для этих блоков является набор векторов, а формат чисел – QFLOAT (128 бит), был создан движок OptiX Engine. Движок основан на использовании языка HLSL (язык так называемых шейдеров, микропрограмм для вычислительных блоков), технологии CUDA, которая позволяет разпаралеливать вычисления на одном графическом чипе, основываясь на конвейерной структуре с параллельно работающими вычислительными блоками. Для сравнения, если программный метод рэндэринга сцены занимает несколько минут, то аппаратный ( с использованием решений nVidia / CUDA / OptiX) занимает значительно меньшее время.

Аналогичной разработкой может похвастаться и AMD. Их разработка называется AMD Cinema 2.0. Базовой платформой для этой разработки является движок OTOY (продукт сотрудничества AMD, Otoy, Lightscape). «Cinema 2.0» является средством, которое обеспечивают расчет трассировки лучей в реальном времени на графических процессорах Radeon (серии чипов v7x0, v8x0, старшие модели этих чипов имеют вычислительную мощность порядка 1 TFLOP при работе с числами формата QFLOAT) и центральных процессорах AMD Phenom.

Корпорация Caustic предоставила готовый OpenGL и GLSL API, кросплатформенный Openrl SDK, который стал стандартом для разработки комплексных решений с использованием синтеза изображений с помощью технологии трассирования лучей. Также Coustic предоставила первое в мире, узконаправленное аппаратное решение CausticOne, которое позволяет синтезировать изображение с использованием набора библиотек OpenRL до 20 раз быстрее, чем современные GPU и CPU.

Splutterfish разработала свою систему рэндэринга изображения Brazil r/s (Brazil Rendering System). Brazil r/s основной продукт Splutterfish, реализованный как плагин к Autodesk, 3ds Max, Rhinoceros, Autodesk Maya, и как отдельный модуль standalone. На коммерческой основе в настоящее время доступна только версия для 3ds Max, в то время как Rhino 3D доступна в открытом бета тестирования через Mcneel and Associates. Brazil r/s- это рей-трейсерний рендер, в котором присутствуют алгоритмы просчета глобального освещения Global Illumination: QMC и Photon Mapping. Эту систему использовала компания Lucas Arts при создании эффектов к кинофильму «Заряне войны 3».

ВЫВОД

Все вышеописанные продукты компаний nvidia, AMD, INTEL, Caustic, Splutterfish в синтезе финальной графической сцены используют все пиксели, не учитывая того, что фон может быть однородным, заливка может иметь одинаковый цвет, то есть используют часть ресурсов в холостую, для расчета одинакового цвета, для расчета цвета, который отличается от смежных пикселей на коэффициент SI, коэффициент погрешности цвета восприятия глаза человека.

Что бы ускорить трудоемкий алгоритм трассирования лучей, нужно внедрить алгоритм блочной интерполяции, потери по цвету в результирующем изображении минимальные, так же применив фильтр при вычислении цвета внутриблочных пикселей в случае, когда верхние пиксели очень сильно отличаются от нижних цветом, можно решить проблему анти алиассинга.

Как видно из примера расчета КПД алгоритма с применением блочной интерполяции, для изображения размером 1024 на 1024 пикселей нужно приблизительно в семь раз меньше аппаратных блоков, ускорение рэндэринга сцены достигает значения 4-5 раз, которое обусловлено не достаточным быстрым доступом к памяти.

Итак, благодаря блочной межпиксельной интерполяции можно достичь большой экономии на процессорных элементах при разработке графической системы, базирующейся на алгоритме трассировки лучей.

Цукерберг рекомендует:  Ui - Обсуждение идеи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все языки программирования для начинающих
Обозначение: ГКИНП 02-262-02
Название рус.: Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS
Статус: действует
Дата актуализации текста: 05.05.2020
Дата добавления в базу: 01.09.2013
Дата введения в действие: 01.03.2002
Утвержден: 18.01.2002 Роскартография (Roskartografiya 3-пр)
Опубликован: ЦНИИГАиК (2002 г. )
Ссылки для скачивания: