Предварительные расчеты в триангуляции

Курсовую работу по теме «Обзор средств для автоматизации геодезических вычислений. Программа Microsoft Excel. Ее применение для разработки электронных таблиц. Разработка электронной таблицы для автоматизации выполнения практической работы" выполнил:студент 2-го курса Львов К.А.

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный университет

Факультет географии и геоэкологии

Санкт-Петербург

1999 г.

Введение.

Почему геодезические вычисления необходимо автоматизировать.

Камеральная обработка результатов геодезических измерений является одной из важнейших частей процесса по получению координат пунктов геодезической сети, но это лишь один аспект проблемы. На самом деле, камеральная обработка результатов требуется практически при любых геодезических работах-начиная от работ по строительной геодезии, и заканчивая обработкой измерений в классной триангуляции, полигонометрии, трилатерации, и т.д. Но если при работах строительной геодезии объем работ по камеральной обработке относительно невелик, то при камеральной обработке результатов измерений классной триангуляции, например, да и других высокоточных геодезических работ объем вычислений становится весьма большим. Это связано со спецификой этих работ- высокая точность требует специальных методов как проведения собственно измерений, так и камеральной обработки их результатов-применения специальных методов уравнивания, введения большого числа поправок, постоянного прослеживания всех получающихся результатов (в том числе и с целью контроля их правильности), и т.д. Это, естественно, рождает за собой определенные проблемы, основные из которых-это недопущение ошибок, и длительное время самой обработки из-за ее большого объема. Хотя все процессы обработки построены так, чтобы максимально снизить риск появления ошибок (тут сказывается учет большого опыта геодезистов-процессы построены таким образом, чтобы сразу заметить «неидущий» результат и вовремя найти и исправить ошибку), но так как вес-таки исполнителем работ является человек, то, естественно, нельзя полностью гарантировать совершенное отсутствие ошибок. Конечно, потом они будут обнаружены и исправлены, но сам процесс поиска может занять значительное время. Когда камеральную обработку выполняет человек с большим опытом проведения подобных работ, то риск подобных ошибок снижается, уменьшается и время, требуемое на проведение обработки. Но когда подобную работу выполняет человек, не имеющий подобного опыта, то риск вышеперечисленных ошибок, наоборот, многократно возрастает. Это при том, что камеральная обработка в принципе является достаточно легко формализуемым процессом. В связи с этим встает вопрос об автоматизации геодезических вычислений. В самом деле-не логичнее ли поручить исполнение «механической» работы компьютеру, что даст, во-первых, большую выгоду во времени (мощности современных вычислительных машин легко хватает для выполнения приблизительно двух-трех миллионов операций в секунду-леко посчитать, какая получится экномия времени!), а, во-вторых, это дает некую гарантированность от ошибок в вычислених-попросту говоря, машина никогда не ошибется при выполнении математической опереции. (Тут, правда, встает проблема правильности и безошибочности используемого алгоритма, но это тема для отдельной работы.). На самом деле, практика показала преимущественность подобного подхода, в настоящее время ручная обработка результатов геодезических измерений встречается крайне редко.

Предпосылки к автоматизации геодезических вычислений.

В последние пятнадцать лет развитие электронной техники и технологии можно сравнить с лавинообразным процессом-чем выше настоящий уровень компьютерной технологии, тем, соответственно быстрее идет ее развитие. Это связано с тем, что в данном случае продукты технологии служат одновременно и ресурсом, необходимым для ее развития. Поэтому мы стали свидетелями действительно лавинообразного развития разнообразной электронно-вычислительной техники, увеличения ее мощности, снижением стоимости ее производства и , как следствие всего этого, проникновения ее практически во все сферы жизни общества. Это, естественно, породило проблему прикладного испольования, которую можно рассмотреть и в аспекте автоматизации обработки результатов геодезических вычислений.

Вообще-то, персональные компьютеры существуют уже достаточно давно, но если, скажем, в начале восьмидсятых годов еще шла «война» различных платформ, среди которых были PC, Spectrum-совместимые, Macintosh, Commondore, Atari, и прочие, котоыре (практически все из них тогда) характеризовались весьма небольшим объемом оперативной памяти и невысоким быстродейстием, что, естественно, рождало за собой проблему разработки соответсвующего программного обеспечения. В принципе, разработка средств для автоматизации геодезических вычислений была возможна и тогда, но это приходилось делать непосредственно на языке программирования(который либо выбирался разработчиком, либо, что совсем уж несерьезно, был аппаратно встроен в систему). Поэтому разработка более или менее нормальной системы, способной выполнять поставленные задачи, требовала недюжинных программистких навыков. И это при том, что скорее всего такая система была способна решать только узкий, определенный еще на этапе создания, круг задач. Кроме того, ограниченность системных ресурсов делала практически невозможным создание действительно универсальной системы, которую можно бы было легко приспосабливать под конкретые задачи, требющиеся для автоматизации, и которая бы обладала «дружественным интерфейсом пользователя», т.е. такой средой взаимодействия пользователя и программы, которая бы позволяла легко взаимодействовать с программой и «добиваться» от нее нужных результатов. Часто вообще взаимодействие с подобными программами вызывало очень большие трудности, поскольку иногда поменять какие-либо настройки было возможно только через модификацию исходного текста программы, поскольку для создания универсальной и конфигурабельной программы не хватало системных ресурсов, т.е. программа просто не умещалась в памяти компьютера.

И, кроме всего прочего, не было совместимости между платформами, т.е. программное средство, разработанное для какой-то определенной платформы было просто невозможно использовать а другой без проведения каких-либо дополнительных работ по конвертации, преобразованию форматов представления данных, и пр. Но даже на такой базе стало возможным создание средств автоматизации различных вычислений, в т.ч. и геодезических, потому что компьютер уже являлся средством, возможности которого на порядок превосходили возможности программируемых калькуляторов, не говоря уже о калькуляторах обычных. Разработка средств автоматизации являлась задачей программиста, поэтому для разработки средст автоматизации геодезических вычислений либо геодезист должен был обладать программисткими навыками, либо (что встречалось куда реже) программист- геодезическими, либо программист и геодезист должны были работать в паре, что позволяло программисту под руководством геодезиста создать работоспособную программу для автоматизации. Правда, тогда такие программы все равно не обладали универсальностью, поэтому в те времена широко распространения такие разработки не получили-чтобы эффективно работать с программой, надо было знать ее «изнутри», что, конечно, было очень неудобно.

С течение времени ситуация постепенно изменялась в лучшую сторону, на рынке персональных компьютеров лидерство постепенно завоевала платформа PC, хотя многие до сих пор не соглашаются с подобным утверждением. Так или иначе, вычислительные мощности многократно возросли, что постепенно позволило создать удобный и завоевавший всеобщую популярность «графический интерфейс»-удобную и интуитивно понятную среду взаимодействия пользователя и программ(вполне наглядным примером которого является завоевавшая всеобщую популярность и получившая широчайшее распространение у нас в стране , да и во всем мире операционная система Microsoft Windows , под управлением которой работает огромное множество программ. Стали также возможны разработки и программные средства, о которых раньше приходилось только мечтать, в том числе и программные средства, предназначенные для автоматизации геодезических вычислений (являющиеся подклассом геоинформационных систем), в том числе и универсальные средства автоматизации вычислений практически любого рода, каковыми являются электронные таблицы. Более того, работа с подобными средствами разработки теперь многократно упростилась, увеличилась ее эффективность, скорость и качество, и снизилась сложность самого процесса разработки,благодаря чему этот процесс перестал быть неким «таинством», доступным лишь «посвященным» (программистам), и стал доступен практически любому человеку. Иными словами, геодезисту теперь не обязательно нужен программист для того, чтобы разработать средство автоматизации, и благодаря такому разделению задач эффективность увеличилась-ведь геодезист знает гораздо лучше, чем программист, каким требованиям должно удовлетворять разрабатываемое средство, поэтому и повысилось качество разработки. Удобство интерфейса сделало такие средства более универсальными-ведь теперь можно не просто написать инструкцию, но и, допустим, снабдить свое средство дополнительными интерфейсными элементами, типа всплывающих подсказок, которые бы появлялись при наведении курсора на нужную клетку таблицы, и содержали бы информацию о том, что за информация содержится в данной клетке (или, например, что надо в эту клетку ввести).

Таким образом, подводя итог этому вступлению, необходимо сказать о том, что в настоящее время иформационные технологии все глубже проникают практически во все сферы общества, и скорость этого процесса все еще возрастает. Поэтому для решения прикладных задач теперь уже решающую роль играет не доступность компьютеров и компьютерных технологий, как всего десять-пятнадцать лет назад, но, скорее, правильность выбора средств для решения конкретных задач, которые должны удовлетворять требованиям учета специфики, но в то же время являться универсальными и простыми в освоении. Поэтому данный обзор, ни в коем случае не претендующий на абсолютную полноту, служит для того, чтобы составить представление о целесообразности выбора того или иного программного средства для автоматизации решения какой-либо конкретной задачи.

Обзор средств автоматизации

Два подхода к автоматизации – использование специализированного программного обеспечения геоинформационных систем (ГИС) и использование универсальных средств (электронных таблиц) в целях автоматизации геодезических вычислений.

Существуют два принципиально различающихся подхода к созданию средств автоматизации геодезических вычислений, отраженные в заголовке. Поэтому при выборе программного обеспечения для разработки какого-либо средства автоматизации вычислений необходимо сделать выбор между двумя этими подходами.

Нужно сразу сказать, что собственно использование специализированного программного обеспечения как таковое не является именно разработкой нового средства автоматизации вычислений, по причине того, что это программное обеспечение само по себе является именно таким средством, которое необходимо лишь должным образом сконфигурировать для выполнения той задачи, которую необходимо решить. Иными словами, нет необходимости разрабатывать алгоритмы обработки результатов измерений, но необходимо лишь правильно использовать изначально заложенные программистами возможности системы для решения конкретной задачи. Но тут как раз и возникает проблема.

Дело в том, что в основном специализированные ГИС изначально предназначаются для решения достаточно узкого круга задач, и расширению поддаются с трудом. Поэтому, если решение данной задачи лежит в пределах возможностей данной ГИС, то тогда задача с использованием ее решается без труда, но если изначально ГИС не создавалась для работы с таким типом задач, то решить задачу с использованием данной системы будет весьма проблематично. Иными словами, например, ГИС, предназначенные для изучения и моделирования структуры рельефа будет весьма сложно, если только вообще возможно, приспособить к решению задач из области обработки результатов измерений строительной геодезии.

Таких проблем не возникает при использовании универсальных средств типа электронных таблиц, потому что в этом случае все алгоритмы работы создаются «с нуля», что обеспечивает их наилучшую приспособленность к решению возникшей задачи по автоматизации, но возникают проблемы иного характера. Дело в том, что разработка качественного средства автоматизации вычислений – это весьма трудоемкий процесс, занимающий иногда достаточно много времени. Конечно, оно потом окупается, но только при достаточно большом объеме вычислительных работ подобного типа, а при решении единичной задачи иногда оказывается быстрее, как ни крамольно это звучит, подсчитать требуемые результаты вручную.

Поэтому необходимо четко представлять возможности различных геоинформационных систем для того, чтобы отдать предпочтение той или иной из них при решении конкретной задачи, а если среди них не окажется нужной, то тогда средство необходимо разработать вручную, если это оправдано с точки зрения затраченного времени.

Краткий обзор средств автоматизации, основанных на использовании специализированных ГИС. Требования, предъявляемые к ним.

Использование специализированных ГИС позволяет сократить время, требуемое для проведения расчетов в процессе камеральной обработки и многократно увеличить надежность и безошибочность вычислений.

Появление электронных геодезических приборов привело к возможности существенного изменения методик полевых работ при выполнении топографических съемок различного назначения. Сегодня электронные тахеометры и спутниковые геодезические системы обеспечивают требуемую точность измерений для большинства видов работ. Неотъемлемой частью современных приборов является наличие устройств для регистрации измерений. Это позволяет полностью отказаться от записи результатов измерений в полевые журналы. Ясно, что автоматическая регистрация данных в поле становится практически бессмысленной, если данные обрабатываются без использования соответствующего программного обеспечения. В связи с этим большинство компаний, поставляющих геодезическую технику, предлагают не поставку отдельных приборов, а внедрение законченных технологий. Заметим, что производители приборов тоже переходят к поставке технологий. Например, фирма Spectra Precision в рамках концепции IS™ (Integrated Surveying - Интегрированные Съемки) начала распространение пакета программ GeoTool, полный набор модулей которого позволит выполнять работы от импорта данных до проектирования сооружений и выноса проектов в натуру.Но именно здесь и кроется еще одна проблема - ведь приобретя технологию, компания оказывается «привязана» к ней, и вынуждена использовать приборы одной и той же фирмы, а также обращаться к ней за обновлениями, потому что очень часто переход на технологию другой фирмы может обойтись намного дороже, чем продолжение использования уже купленной и освоенной. Поэтому предлагается краткий обзор некоторых программных продуктов для обработки результатов геодезических измерений. Критерии включения в обзор

Параллельно с эволюцией вычислительной техники шло развитие программ обработки геодезических измерений. Большинство подразделений бывшего ГУГК и проектно-изыскательских организаций самостоятельно разрабатывали те или иные программы. Отличительными особенностями таких программ является их ориентированность на решение задач той организации (а зачастую даже подразделения организации), для которой они созданы. Обычно они разрабатывались и поддерживались собственными отделами автоматизации. Подавляющее большинство таких «ведомственных» программ не были ориентированы на работу с накопителями электронных приборов просто из-за их недоступности. Большинство таких программных продуктов не стали коммерческими и прекратили свое развитие. Поэтому в настоящем обзоре они не рассматриваются.

Сегодня на рынке геодезических технологий России присутствует небольшое (по сравнению с рынком ГИС-приложений) количество программных продуктов. Реально распространяются и поддерживаются, пожалуй, только продукты Caddy фирмы Ziegler (Германия), «Кредо-Диалог» (Белоруссия), «Топоград» (Украина), Topocad фирмы SMT Datateknik (Швеция) и FieldWorks корпорации Intergraph. Скорее всего этот список неполный, однако информация именно об этих продуктах в той или иной форме распространяется среди потенциальных пользователей.

Выделенные таким образом продукты можно в свою очередь разделить по используемым операционным системам. По всей видимости, 32-ти разрядные MS Windows 95 и NT становятся наиболее популярными и распространенными операционными системами. Преимущества многозадачных операционных систем Windows с их единым пользовательским интерфейсом, возможностью обмена данными между различными приложениями, простотой подключения периферийных устройств, совершенными справочными системами, руссификацией и т.д. привлекают все большее количество пользователей в России. Из приведенного выше списка приложением для Windows является только Topocad. Пакет FieldWorks является приложением интегрированной графической среды MicroStation, которая в свою очередь работает с Windows 95 и NT. Разработчики пакета «Топоград» только предполагают выпустить версию для Windows в 1997 году. Работы по переводу Caddy и «Кредо-Диалог» под Windows пока не ведутся.

Поэтому в настоящем обзоре остановимся только на программных продуктах Topocad и FieldWorks.

Требования к геодезической программе.

Прежде чем перейти к обсуждению программных продуктов, необходимо выделить возможности, которые должны быть реализованы в топографических пакетах.

•Импорт данных из полевых накопителей электронных тахеометров или полевых компьютеров. Желательна поддержка форматов различных фирм. Данные можно импортировать непосредственно через последоватльный порт компьютера или считывать из текстового файла соответствующего формата. Хотя производители приборов практически всегда предлагают необходимые интерфейсы для формирования текстовых файлов результатов измерений на диске компьютера, представляется полезной поддержка обеих возможностей импорта. Необходимо также иметь средства для редактирования полевых измерений.

•Обеспечение импорта координат точек местности, полученных спутниковыми методами. Постепенно такие методы начинаются использоваться при выполнении крупномасштабных съемок. Обычно для вычисления координат используется программное обеспечение, входящее в комплект спутниковой аппаратуры. Однако предлагаемые производителями GPS-аппаратуры «картографические» программы в большинстве случаев не позволяют обрабатывать результаты наземных измерений, без которых трудно обойтись при съемке.

•Обработка результатов измерений в сети обоснования. Наиболее популярными способами построения обоснования на сегодняшний день являются пространственная полигонометрия и различного рода засечки. Полезными представляются возможность автоматического вычисления координат точек обоснования, контроль грубых ошибок, уравнивание и оценка точности. Контроль грубых ошибок по-прежнему весьма важен, поскольку даже при наличии автоматической регистрации результатов измерений остается вероятность ошибочного кодирования точек, неточного центрирования и измерения высот прибора и визирных целей. •Вычисление прямоугольных координат пикетов по результатам полярных измерений. Большинство электронных тахеометров позволяют вычислять и записывать в память прямоугольные координаты непосредственно в поле.

•Средства графического редактора и структурирования графических объектов, например, размещение объектов в различных слоях. При этом наличие многих функций мощных графических редакторов, например пространственная визуализация и т.д., необязательно. •Наличие библиотеки российских условных знаков и возможность создания собственных символов.

•Построение и редактирование моделей рельефа и горизонталей.

•Вывод графики на внешние устройства и экспорт данных в другие системы. Необходимость вывода построенных планов на плоттеры не вызывают сомнений. Зачастую именно необходимость создания качественных «твердых» копий является главной причиной внедрения автоматизированных технологий. Однако практически всегда создание топографического плана не является самоцелью, план содержит необходимую информацию для проектирования инженерных сооружений, информационных систем и т.д. В законченных цифровых технологиях эти задачи решаются программными средствами. Ясно, что специализированный топографический пакет вовсе не обязан содержать средства, например, для проектирования дренажных систем. Однако обеспечение экспорта моделей местности для дальнейшей обработки должно быть обязательно.

Основные характеристики Основные параметры включенных в настоящий обзор пакетов программ приведены в таблице.

Характеристики