Совершенствование методов геодезического обеспечения мониторинга линейных объектов

Актуальность темы

исследования. Россия — огромная страна площадью 17 075 тыс. км2. Ее развитие и процветание обусловлены в значительной степени наличием и состоянием различного рода коммуникационных сооружений, имеющих линейную протяженность, — железных дорог, автодорог, магистральных трубопроводов, линий электропередач и связи. Линейно-протяженные сети инженерно-технического обеспечения с технологическими устройствами, составляющими с ними единое целое или функциональное единство, относят к линейным объектам.

В соответствии с Конституцией Российской Федерации земля и другие природные ресурсы являются основой жизни населяющих ее народов и могут находиться в государственной, муниципальной, частной и в других формах собственности. Управление землями осуществляется государством через министерства, ведомства, региональные и муниципальные органы власти путем организации охраны, мониторинга, контроля за их состоянием и использованием.

В зависимости от целевого назначения все земли в РФ подразделяются на семь категорий. Большую часть из них занимают земли лесного фонда и сельскохозяйственного назначения. Земли, отведенные под линейные объекты, также составляют миллионы гектаров. Площади таких земель увеличиваются с развитием новых транспортных сетей.

Земельные участки и расположенные на них линейные объекты представляют собой сложные природно-технические системы. После возведения линейных объектов нарушается естественное природное состояние земель и окружающей среды, которое в свою очередь влияет на безопасность и устойчивость линейных объектов. Поэтому наблюдение, мониторинг таких природно-технических систем является важной научно-технической и экономической задачей, которая должна решаться комплексно и системно.

Комплексный подход к мониторингу обусловлен и тем, что земля неразрывно связана с другими объектами природы и хозяйственной деятельности че4 ловека (объектами недвижимости). При решении вопросов землевладения и землепользования учитываются экологические, экономические, социальные и другие факторы и последствия, перспективы использования земель и расположенных на них объектов недвижимости. Несвоевременное выявление отклонений, нарушений в состоянии линейных объектов может приводить к возникновению аварийных ситуаций, оказывающих негативное влияние на окружающую среду. Для их устранения затрачиваются значительные дополнительные средства.

Земли входят важнейшей составляющей в другие виды мониторинга: экологического, окружающей среды.

В последние годы для мониторинга разрабатываются и совершенствуются методы и средства сбора, обработки, анализа и хранения информации об объектах недвижимости. Среди них аэрокосмические, фотограмметрические, картографические, спутниковые, лазерного сканирования и другие.

Геодезические наблюдения являются основой для других методов мониторинга объектов недвижимости и окружающей среды. Они позволяют осуществлять конкретную координатную привязку любых объектов к местности, следить за устойчивостью пунктов геодезической основы.

Геодезический мониторинг означает проведение систематических измерений на контрольные точки, расположенные вблизи или внутри активных зон для определения имеющихся деформаций.

С начала девяностых годов прошлого столетия в результате реализации в России различных государственных программ по землеустройству, инвентаризации и кадастровой оценке земель, паспортизации линейных объектов, государственному кадастровому учету объектов недвижимости и другим работам накоплен большой объем информации. Собранная информация систематизирована, сосредоточена в базах данных геоинформационных систем и может использоваться для осуществления мониторинга.

Сбором информации об окружающей среде, объектах недвижимости занимается ряд министерств и ведомств, региональные органы управления, научные 5 организации, а сбором информации о состоянии земельных участков — землевладельцы и землепользователи. Мониторинг — это наукоемкая, трудоемкая и дорогостоящая процедура. Необходима координация всех заинтересованных участников мониторинга объектов недвижимости и окружающей среды, что позволит более эффективно использовать выделяемые для этого денежные средства.

Публикаций в технической литературе, относящихся к исследованиям результатов геодезического мониторинга именно линейных объектов, автор не обнаружил.

Цель научного исследования — исследование и разработка методов геодезического обеспечения мониторинга линейно-протяженных объектов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— выполнен анализ земельного законодательства для линейных объектов, обоснована необходимость мониторинга земель и линейных объектов;

— сделан выбор оптимального метода создания геодезического обоснования для линейного объекта, системы координат и конструкции пунктов;

— разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования, предрас-чета и оценки точности геодезического обоснования;

— выполнен корреляционный и вероятностно-статистический анализ распределения разностей повторных измерений с целью проверки устойчивости пунктов геодезической основы.

Объектом исследования являются природно-технические системы (ПТС) — земли и расположенные на них линейные объекты.

Предмет исследований — геодезическая информация для комплексного мониторинга линейных объектов.

Методологическую, теоретическую и эмпирическую базу исследования составляют научные труды известных ученых: Большакова В. Д., Маркузе Ю. И., Каленицкого А. И., Полякова Ю. А., Карпика А. П., Зятьковой Л. К., Гуляева Ю. П., и других.

Выполнение научных исследований основывалось на теоретических положениях и методах построения геодезических сетей, теории вероятностей и ма6 тематической статистики, теории ошибок измерений, методе наименьших квадратов (МІЖ), математического моделирования, мониторинга окружающей среды, сведениях из законодательных и нормативных актов РФ в области землепользования, сведениях из учебников, монографий, периодических изданий по теме работы, положений инструкций, результаты математического моделирования, экспериментальных работ, выполненных с участием соискателя.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— обоснована необходимость комплексного подхода к мониторингу линейных объектов, проанализированы методы сбора информации и показатели комплексного мониторинга линейных объектов, позволяющие рекомендовать данные методики для практического использования;

— на основе современной компьютерной технологии предложена методика автоматизированного проектирования, предрасчета и оценки точности геодезической основы линейного объекта, призванная повысить надежность оценки ее состояния;

— исследована и подтверждена эффективность статистических методов анализа наблюдений для определения стабильности пунктов геодезической основырекомендованы в качестве объекта анализа разности повторных измерений.

Теоретическую значимость работы определяют алгоритмы автоматизированного проектирования, полученные формулы для расчетов точности геодезической основы и методы статистического анализа разностей повторных наблюдений, позволяющие повысить эффективность оценок состояния объектов в результате комплексного мониторинга.

Практическая значимость исследований определяется разработкой компьютерных методик проектирования, предрасчета и оценки точности геодезического обоснования — полигонометрических ходов или полигонов полигоно-метрических сетей, образцов расчетов в системе Майісасі, которые позволяют надежно решать поставленные задачи анализа результатов мониторинга линейно-протяженных инженерных объектов. 7.

Результаты корреляционного и вероятностно-статистического аиализа распределения разностей повторных наблюдений подтверждают эффективность применения статистических методов для оценки устойчивости геодезической основы.

Выбор в качестве объекта статистического анализа разностей повторных измерений наилучшим образом обеспечивает возможность изучения статистических свойств ошибок измерений.

Приведенные алгоритмы расчетов в системе МаШсас! могут служить образцами для выполнения подобного рода инженерных вычислений.

Результаты исследований использовались в госбюджетных и хоздоговорных НИР Сибирской государственной геодезической академии:

— «Разработка технологий сгущения съемочного обоснования для целей землеустройства с использованием современных технологий сбора геодезической информации». Хоздоговорная НИР. Договор № 1035−03;

— «Проведение межевания земельных участков, занимаемых электрическими объектами, расположенными в населенных пунктах Тогучинского района Новосибирской области». Хоздоговорная НИР. Договор № 1075 — 03.

— «Разработка системы мониторинга земель по геодезическим, картографическим и землеустроительным данным». Госбюджетная НИР № 1.6.04Д;

— «Геомониторинг природной среды» Госбюджетная НИР № 12 005.07725, а также в учебном процессе Сибирской государственной геодезической академии.

На защиту выносятся: а) алгоритмы и автоматизированные технологии проектирования, пред-расчета и оценки точности геодезического обеспечения мониторинга линейных объектовб) методы статистического анализа разностей повторных измерений, позволяющие оценить состояние объектов при мониторинге линейных объектов:

— обоснование выбора объекта анализа;

— корреляционный анализ;

— вероятностно-статистический анализ закона распределения. Основные положения диссертационной работы представлены и получили одобрение на международных научно-технических конгрессах «Гео-Сибирь» (г. Новосибирск) в 2005;2011 годах. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, из них 1 — в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК, 3 — в соавторстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Линейные объекты играют важную роль в развитии производительных сил, жизнедеятельности и жизнеобеспечении общества и государства [43]. Под такими объектами понимают линейно-протяженные сети инженерно-технического обеспечения с технологическими устройствами, составляющими с ними единое целое. Они предназначены для передвижения, транспортирования газов, жидкостей, иных объектов, передачи энергии, сигнала и других целей.

Линейные объекты проходят в разнообразных природно-климатических условиях, которые находятся под постоянным воздействием меняющихся геодинамических, геоэкологических, техногенных и других факторов. Они включают в себя также комплексы инженерных сооружений (наземные и подземные здания, мосты и трубы для спуска воды, переходы для пропуска животных, развязки, пересечения, указатели, защитные сооружения и другие), обеспечивающие удобную, непрерывную, безопасную их эксплуатацию с расчетными параметрами и нагрузками.

Линейные объекты и занимаемые ими земельные участки представляют собой сложные природно-технические комплексы (системы). Они оказывают воздействие на состояние земель, окружающую среду не только в полосе отвода и охранных зон, но и на прилегающие к ним обширные территории. Поэтому мониторинг таких природно-технических систем является важной научно-технической задачей, которая должна решаться комплексно и системно.

Мониторинг всех земель в Российской Федерации осуществляется в соответствии с Положением, утвержденным Правительством РФ. Мониторинг линейных объектов является составной частью мониторинга окружающей среды (мониторинга природной среды). При мониторинге (геомониторинге) решаются задачи сбора необходимой информации об объектах (организации наблюдений для получения информации), анализ результатов, их оценка и прогнозирование состояния. Как для земельных участков, так и для линейных объектов и их инженерных сооружений методы получения информации во многом являются общими, одинаковыми или однотипными. Наиболее эффективными в настоящее время являются аэрокосмические, геодезические, спутниковые методы, выборочное полевое обследование.

Базовая информация об объектах на начало мониторинга может быть получена с картографических материалов, используемых при проектировании линейных объектов и исполнительных съемок по завершению строительства.

Геодезическое обоснование, создаваемое для трассирования, обеспечения строительства линейных объектов и их инженерных сооружений или созданное для инвентаризации и межевания земель служит основой для мониторинга. Собираемая информация для мониторинга обрабатывается и накапливается в базе данных ГИС. При этом могут создаваться подсистемы ГИС для различных категорий земель или элементов линейных объектов. Подобные ГИС созданы для автомобильных дорог, трубопроводов и других линейных объектов.

Следует отметить, что ведение мониторинга земель постановлением Правительства РФ возложено на Федеральную службу земельного кадастра (сейчас Росреестр), ее территориальные органы в регионах, органы исполнительной власти субъектов РФ, органы местного самоуправления.

Мониторинг и контроль за состоянием и функциональным использованием линейных объектов и окружающей среды ведут различные министерства и ведомства РФ (Минтранс, Минсельхоз, Госстрой, Росреестр, Минприроды, Гид-рометслужба и др.). Это приводит к дублированию работ, излишним затратам средств. Поэтому в регионах целесообразно иметь коллективные центры геомониторинга окружающей среды.

Цель настоящего исследования состояла в совершенствовании и разработке методов информационного обеспечения комплексного мониторинга земель линейных объектов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ земельного законодательства для линейных объектов, методов сбора информации и показателей комплексного мониторинга ПТСобоснование необходимости комплексного мониторинга линейных объектоввыбор метода создания геодезического обоснования для выполнения мониторинга линейного объекта, системы координат и оптимальной конструкции пунктов геодезического обоснования;

— разработка компьютерных версий проектирования и оценки точности геодезического обоснованияисследование статистических методов анализа разностей повторных измерений.

По результатам исследований сделаны следующие выводы.

Состояние земель и расположенных на них линейных объектов взаимозависимо и должно отслеживаться комплекснорекомендованы показатели для комплексного мониторинга природно-технических систем, современные способы и средства сбора информации для регионального и локального мониторинга.

Наиболее удобным методом создания геодезического обоснования для целей мониторинга линейного объекта являются полигонометрические ходы, прокладываемые с использованием современных тахеометров, в сочетании со спутниковыми технологиями. Вытянутая форма полигонометрического хода наиболее соответствует протяженному контуру линейного сооружения.

Координирование линейных объектов может выполняться в различных системах координат в зависимости от протяженности линейного объекта. Это могут быть плоские прямоугольные координаты для небольших участков территории или линейных объектов, протяженностью менее 100 км, геодезические пространственные координаты или прямоугольные пространственные координаты, когда протяженность линейного объекта превышает 100 км.

Для целей мониторинга линейных объектов целесообразно использовать местную (региональную, условную) систему координат.

Рекомендуются типы центров, обеспечивающие их долговременную сохранность. Необходимо усилить контроль за сохранностью геодезических и межевых знаков.

Представление невязок как функций случайных ошибок измерений, матричное представление исходных данных дало возможность создать компактный алгоритм компьютерного проектирования полигонометрического хода, позволяющий решать следующие задачи:

— для заданной формы построения хода выбирать вариант по соотношению точности угловых и линейных измерений;

— при заданной точности измерений выбирать положение пунктов ходазначения углов и сторон;

— обоснованно изменять длины или число сторон в ходе при более высокой, по сравнению с заданной по инструкции, точностью измерений.

Сравнение средних значений невязок, вычисленных для различных рядов моделируемых случайных ошибок одинаковой точности измерений, позволяет сделать однозначный вывод о преимуществах того или иного варианта хода.

Получены формулы и алгоритм расчета предельных расхождений координат точек полигонометрического хода, вычисленных по результатам повторных, независимых измерений.

Вычисление в системе МаШсас! обратных весов и средних квадратических ошибок уравненных координат любой точки полигонометрического хода при заданной точности измерений позволяет осуществлять сравнение различных вариантов хода на стадии проектирования, а также проверять допустимость реально полученных результатов. Особенностью алгоритма является блочное представление матрицы коэффициентов условных уравнений и векторов коэффициентов весовых функций, обратных весов оцениваемых функций.

Результаты оценки точности по разностям двойных измерений должны использоваться при оценке устойчивости геодезической основы.

Для обнаружения систематических ошибок, которые погашаются в разностях двойных измерений, предложено выполнять сравнение результатов оценки.

167 точности до уравнивания по разностям двойных измерений и после уравнивания с использованием доверительного оценивания параметров.

Исследованы возможности статистических методов анализа разностей повторных измерений — корреляционного и вероятностно-статистического анализа закона распределения.

Для выполнения корреляционного анализа достаточно двух циклов прямых и обратных наблюдений. Даны рекомендации по выбору оптимальных объектов анализа — разностей повторных наблюдений.

Исследования разностей повторных измерений сторон полигонометриче-ского хода, проложенного с использованием электронных тахеометров, подтверждают эффективность использования корреляционного анализа этих разностей для целей мониторинга линейных сооружений.

Вероятностно-статистический анализ распределения разностей повторных измерений с выполнением проверки свойств случайных ошибок измерений надежно устанавливает наличие систематических влияний, смещений.

Алгоритм корреляционного анализа проще, чем алгоритм вероятностно-статистического анализа закона распределения.

Таким образом, в программу исследований результатов повторных измерений геодезической основы с целью мониторинга линейных сооружений предлагается включать:

— анализ результатов оценки точности и наличия систематических ошибок по разностям двойных измерений, а также по результатам уравнивания с использованием доверительного оценивания параметров;

— предрасчет предельно допустимых разностей координат пунктов, вычисленных по результатам повторных измерений;

— вычисление средних квадратических ошибок уравненных координат пунктов для заданной точности измерений;

— корреляционный или вероятностно-статистический анализ распределения разностей повторных измерений.

Разработанные автором алгоритмы и компьютерные расчеты в системе МаШсас!, предназначенные для проектирования и оценки точности элементов полигонометрического хода, корреляционного анализа разностей повторных наблюдений обеспечивают эффективность, надежность и доступность результатов исследования.