Интерпретация и использование масштаба при интеграции разнородных геодезических данных в ПО Trimble Business Center

Это сокращенный перевод на русский язык статьи “Understanding and Applying Scale Factors in Scanning Workflows in Trimble Business Center”. С полной версией данной статьи на английском языке вы можете ознакомиться здесь.

Введение

Trimble Business Center – базовое геодезическое программное обеспечение Trimble, интегрирующее данные от различных типов инструментов, таких как GNSS приемники, тахеометры, лазерные сканеры, в единый проект.

Цель этой статьи – пояснить, как в ПО Trimble Business Center (далее TBC) интерпретируются математические понятия масштаба и проекции для преобразования и согласования геодезических данных различных типов. Благодаря удобному и простому согласованию данных в TBC, геодезист с уверенностью может использовать в поле разнообразные инструменты для того, чтобы выполнить свою работу быстрее и с более высоким качеством.

Системы координат на земной поверхности (“Ground”)

В системах координат (далее СК) в проекции на земную поверхность вычисляемые расстояния соответствуют их непосредственно измеренным на объекте значениям. Обычно они используются в относительно небольших проектах, например на строительных площадках. СК на земной поверхности часто используются для строительных планов участков из-за их простоты. Это очень удобно, когда измеренные на объекте расстояния в точности соответствуют значениям, полученным на плане.

Недостаток СК этого типа состоит в том, что такие измерения уже не будут хорошо соответствовать друг другу на больших расстояниях. Влияние кривизны поверхности Земли и большие отличия по высоте на объекте не позволяют использовать эту простую СК. Для географически больших и сложных объектов, а также для проектов с различными технологиями измерений, должны использоваться более комплексные геодезические решения, в которых решается задача редуцирования измерений, выполненных на искривленной поверхности, в прямолинейную систему с возможностью ее представления на картах или в компьютерном ПО.

Системы координат в проекции на плоскость (“Grid”)

Для географически больших проектов, а также проектов, где результаты должны быть согласованы вместе с результатами других проектов на территории административного объекта или большого района, используются СК в картографической проекции на плоскость, которая предоставляет значения в соответствии с местоположением проекта на поверхности земли.

Проекция на плоскость - плоская аппроксимация искривленной поверхности земли. Наиболее распространенные типы проекций такого типа - поперечная цилиндрическая проекция Меркатора (или Гаусса-Крюгера) и коническая проекция Ламберта.

Поперечная проекция Меркатора (Transverse Mercator или TM)

Рисунок 2 – Поперечная проекция Меркатора использует цилиндр
Рисунок 3 – Изменение масштаба в Универсальной проекции Меркатора (UTM)

Коническая проекция Ламберта

Рисунок 4 – Коническая проекция Ламберта, обернутая вокруг земли
Рисунок 5 – Коническая проекция Ламберта использует конус
Рисунок 6 – Изменение масштаба в конической проекции Ламберта

Масштаб = Великий Уравнитель

Объединение разных типов данных различных инструментов, проекций и измерений требует применения к ним различных масштабов для преобразования на плоскость и за высоту. Оба масштаба решают свою собственную задачу, а вместе они определяют комбинированный масштаб для корректного размещения, вывода и изменения данных от различных источников в среде единого проекта.

Масштаб для преобразования в проекцию на плоскость (Grid)

Ни коническая, ни цилиндрическая проекции не будут в точности соответствовать кривизне модели земного эллипсоида. Каждая из этих проекций на плоскость аппроксимирует кривизну эллипсоида в одном направлении, но отклоняется от неё в перпендикулярном направлении. Выбор типа используемой проекции на плоскость зависит от географической формы региона использования. Таким образом, форма и подбор поверхности относимости проекции служат для минимизации величины дисторсии между проекцией и искривленной поверхностью эллипсоида.

У распространенных проекций на плоскость в соответствии с их правилами размещения относительно эллипсоида имеются области внутри границ проекции, где цилиндр (или конус) лежит под поверхностью эллипсоида, и где он лежит выше. На рисунке ниже показано, что величина расстояния, спроецированного на плоскость, будет отличаться от расстояния вдоль поверхности самого эллипсоида, которое называется длиной геодезической линии (geodetic distance). Это отличие называется масштабом преобразования в проекцию на плоскость (grid scale factor) и определяется как отношение расстояния в проекции на плоскость к расстоянию на эллипсоиде:

Масштаб на плоскость = (Расст. на плоскости / Расст. на эллипсоиде)

У распространенных проекций на плоскость также имеются линии, где поверхность проекции пересекается с эллипсоидом. Вдоль этих линий пересечения нет отличий между расстоянием на эллипсоиде и соответствующим расстоянием на плоскости. На этих линиях масштаб преобразования на плоскость равен 1.0 как показано на Рисунке 7. Поскольку большинство точек съемки в проекте не лежат в точности на линии пересечения, то для правильного проецирования эллипсоидальных расстояний на плоскость приходится применять различные масштабы. Поэтому каждая точка проекта получает слегка отличный друг от друга масштаб преобразования на плоскость, зависящий от того, насколько она удалена от линии пересечения с эллипсоидом.

Рисунок 7 – Картографическая проекция (UTM) и ее связь с поверхностями земли и эллипсоида

Масштаб для преобразования за высоту

Масштаб для преобразования за высоту – это отношение расстояния между двумя точками на земной поверхности и эллипсоидального расстояния между проекциями этих точек на эллипсоид.

Масштаб за высоту = (Расст на эллипсоиде / Расст на земн поверхности)

Общеземные эллипсоиды, такие как WGS84, были созданы для глобальной аппроксимации среднего уровня моря. Для точек, которые лежат на земной поверхности на уровне моря, расстояние на земной поверхности будет близко соответствовать расстоянию на эллипсоиде. Масштаб преобразования за высоту для этих точек в таком случае будет около 1.0. Если же проект находится существенно выше уровня моря, то расстояния на земной поверхности будут существенно больше их плоских эквивалентов, лежащих на уровне моря.

Пример взаимосвязи расстояний на эллипсоиде, на плоскости и на земной поверхности:

Рисунок 8 – Расстояния на эллипсоиде, на плоскости и на земной поверхности

Необходимо отметить, что величины масштабов преобразования за высоту могут заметно отличаться для различных точек проекта, если их высоты сильно отличаются между собой. Представьте себе проект трассы, которая проходит сквозь высокие горы. Масштаб за высоту в верху трассы может существенно отличаться от масштаба внизу. Для таких проектов хорошим решением может быть разбиение его на составные части. Разбиение должно заключаться в создании частей проекта с меньшей разницей по высоте, что позволит уменьшить дисторсию из-за разницы высот.

Комбинированный масштаб

Для правильного согласования расстояний на земной поверхности в конкретном проекте на плоскости, необходимо применять соответствующие масштабы для преобразования на плоскость и за высоту. Их комбинация называется комбинированным масштабом; и это соотношение, которое используется в геодезическом ПО класса TBC для корректной установки соответствия измерений на земной поверхности с данными проекта в проекции на плоскость. Формула для вычисления комбинированного масштаба:

Комбинированный масштаб = Масштаб на плоскость * Масштаб за высоту

= (Расст на плоскости / Расст на эллипсоиде) * (Расст на эллипсоиде / Расст на земной поверхности)

= Расст на плоскости / Расст на земной поверхности

Заметьте, что хотя комбинированный масштаб зависит от высот над эллипсоидом, его величина применяется только к расстояниям, как видно из уравнения выше.

Комбинированный масштаб и его правильное использование – важнейшая возможность TBC при интеграции различных типов геодезических измерений, сканов и данных с точками. Далее в этой статье мы расскажем о том, как TBC использует эти геодезические вычисления и как комбинированный масштаб применяется к данным различных типов.

Подтверждаем теорию практикой в TBC

TBC – уникальная платформа, поскольку, в отличие от простой прямоугольной сетки координат в других CAD пакетах, она использует комбинированный масштаб при вычислениях и выводе геодезических данных, полученных в реальных полевых условиях. При начальном запуске TBC по умолчанию представляет Вид в Плане в виде простой сетки координат – Север и Восток, как показано на Рисунке 10.

Рисунок 10 – При начальном запуске ПО TBC оно выглядит как обычная плоская прямоугольная сетка координат

Являясь специализированным геодезическим ПО, TBC требует обязательного использования системы координат. Выбрав при импорте данных СК по умолчанию, проект автоматически создается либо в локальной прямоугольной СК Меркатора (TM), либо позволяет выбрать другую СК из библиотеки уже описанных мировых СК, предоставляемой Trimble. Альтернативно, СК может быть задана самим пользователем с использованием Диспетчера Систем Координат (CSM), как показано на Рисунке 11. Диспетчер Систем Координат взаимодействует с базой данных СК, которая используется во множестве приложений Trimble, включая TBC и Trimble Access. Эта база гарантирует, что СК будут согласованы между собой во всех приложениях.

Рисунок 11 – Диспетчер систем координат CSM – откуда TBC получает исходную геодезическую информацию

Каждая точка из GNSS измерений, станция или другие геодезические измерения получают в TBC комбинированный масштаб на основе своего местоположения. Для небольших площадок, например сооружение здания, разница между комбинированными масштабами для различных точек мала и практически незаметна (например, в 7 или 8 знаке после запятой). Но в проектах на краях зоны проекции, или в протяженных проектах (например, разбивка многокилометрового линейного коридора), или в проектах с большими перепадами высот (например, топосъемка в горном ущелье) комбинированный масштаб вносит заметные изменения в данные.

В зависимости от выбранной в настройках проекта СК, TBC будет использовать комбинированные масштабы и ориентирование для вывода полевых данных на плоскость на основе их местоположения в проекте. Если полевые данные изменяются в результате изменения координат станции или после геопривязки, то для их корректного вывода на плоскость к ним будет применен другой комбинированный масштаб, вычисленный для их нового положения. Это лучший способ для правильного слияния данных из различных источников. В TBC нет единого универсального комбинированного масштаба, применяемого ко всему проекту целиком. Даже с настройками по умолчанию определяется масштаб (обычно 1.0) в начале отсчета. Данные, расположенные на удалении от начала отсчета, используют при вычислениях соответствующий комбинированный масштаб на основе их местоположения.

После того, как полевые данные импортированы в TBC, становятся доступными различные инструменты контроля и взаимодействия с данными сырых измерений, такие как Таблица GNSS векторов или Таблица оптических измерений. Для каждого полевого измерения или станции вычисляется точка в TBC, которую можно просмотреть в Таблице точек. Помимо имени и координат точки возможно вывести её текущие масштабы для преобразования на плоскость и за высоту, а также комбинированный масштаб, включив в Настройках проекта/Вид/Таблица точек напротив них значение 'Показать'.

Рисунок 12 – Настройки проекта для включения масштабов в Свойства координат на плоскости/На земной поверхности в меню Вид/Таблица точек
Рисунок 13 – В Таблице точек в TBC можно вывести масштаб для преобразования любого типа

Оптические и GNSS данные в TBC

TBC импортирует полевые GNSS данные, собранные инструментами Trimble или сторонними поддерживаемыми инструментами, и создает станции в положении каждой базы или VRS координат. От этих станций измеренные GNSS вектора передают координаты на другие создаваемые статические или роверные точки, как показано на Рисунке 14.

TBC импортирует оптические данные, собранные тахеометрами Trimble или сторонними поддерживаемыми инструментами, и создает станции в положении каждой установки. От этих станций оптические измерения передают координаты на другие измеряемые точки, как показано на Рисунке 15.

В обоих случаях TBC (и Trimble Access) автоматически координирует точки на основе данных сырых полевых измерений GNSS приемников или тахеометров, используя геодезические вычисления в зависимости от установленной СК. Сырые измерения инструментов и параметры выбранной СК записываются в полевой файл, такой как *.jxl или *.job в Trimble Access. При импорте этого полевого файла TBC сравнивает СК, использованную в поле, с активной СК текущего проекта TBC. Если они отличаются, то предлагается опция выбора СК и TBC автоматически преобразовывает данные в выбранную СК. Это гарантирует, что координаты на плоскости будут согласованы между полевым и офисным ПО.

Рисунок 14 – GNSS векторы (синим) и Таблица векторов в TBC – обратите внимание на столбцы “ОТ точки” и “ДО точки”
Рисунок 15 – Измерения тахеометром (зеленым) и Таблица оптических измерений в TBC – обратите внимание на столбцы “ОТ точки” и “ДО точки”

Данные нивелирования в TBC

TBC импортирует данные цифровых нивелиров Trimble или других поддерживаемых производителей через Редактор нивелирования на Рисунке 16, в котором можно выполнить предварительное уравнивание и минимизировать величины невязок. После уравнивания и импорта в TBC создаются точки только с одной высотной компонентой.

Поскольку комбинированный масштаб применяется только к горизонтальной составляющей расстояния, то он не влияет на данные цифровых нивелиров сами по себе.

Рисунок 16 – Данные Trimble DiNi и Редактор нивелирования в TBC

CAD файлы и файлы с точками в TBC

Комбинированный масштаб не применяется к импортируемым в TBC CAD файлам (таким, как *.dwg или *.dxf) и текстовым файлам с точками. Это гарантирует, что импортированные координаты и значения геометрии из файлов-источников сохраняются. Комбинированный масштаб вычисляется для каждой точки съемки из CAD файла или файла с точками только когда эти точки съемки импортируются из полевого контроллера, например в виде *.jxl из Trimble Access. Эти значения комбинированных масштабов можно будет просмотреть в Таблице точек.

CAD файлы можно просто перетаскивать в TBC; там они располагаются в соответствии с записанными в них единицами и значениями. Если единицы нельзя считать из файла, то они импортируются как “безразмерные”, а это может привести к несогласованности, например, между метрами и футами США.

Для корректного импорта точек в TBC должно быть создано описание формата импорта, соответствующее файлу точек. TBC включает много стандартных форматов импорта, таких как (PointID, N, E, Elev, Code) или (PointID, E, N, Elev, Code). В Редакторе форматов импорта пользователем может быть создан собственный формат импорта, который включает опцию (выделена на Рисунке 17) для импорта точек не как точек съемки (которые трансформируются при изменениях СК), а как точек на плоскости (которые не трансформируются при изменениях СК). Точки таких файлов (например, *.csv или в других ASCII форматах) импортируются в координатах, записанных в файле.

Для каждого из этих типов файлов TBC предполагает, что СК импортируемого файла соответствует активной СК текущего проекта TBC, в противном случае плоские координаты импортированных точек могут не соответствовать ожиданию.

Рисунок 17 – Опция Редактора форматов импорта в TBC для импорта точек как точек в проекции на плоскость

Данные аэрофото- и мобильной съемок в TBC

TBC поддерживает импорт и обработку:

  • Данных аэрофотосъемки от БПЛА, созданные в *.jxl или другом поддерживаемом формате
  • Данные мобильной съемки (сканирования) от системы Trimble MX9

Так как импортируемые в TBC данные аэрофото- и мобильной съемки часто уже включают GNSS координаты (либо координаты качества Автономные, требующие постобработки в TBC, либо координаты качества Геодезические, которые уже были обработаны), все необходимые преобразования СК и вычисления применяются таким же образом, как к GNSS данным. TBC считывает параметры СК, записанные в полевых файлах, и может трансформировать данные в любую пользовательскую СК точно так же, как и полевые GNSS данные.

Точки, такие как используемые для геопривязки опорные наземные точки GCP, импортируются с использованием *.csv или других ASCII форматов точно таким же образом, каким импортируются файлы точек в предыдущем разделе.

Облака точек, созданные в TBC по аэрофотоизображениям, получают геопривязку уже на этапе уравнивания изображений, поэтому после создания они уже закоординированы и отмасштабированы в соответствии со значениями и СК опорных точек GCP, как показано на Рисунке 18.

Рисунок 18 – Высокоточные данные от БПЛА самолетного типа в TBC

Когда TBC создает облака точек по данным мобильной съемки Trimble MX9 (на Рисунке 19), большая протяженность проекта (иногда в сотни километров) требует обработку, отличную от обработки других облаков точек. При вычислениях TBC разбивает облако точек на укороченные секции, а затем применяет комбинированный масштаб, соответствующий центру тяжести каждой секции. Такой комбинированный масштаб для частей трассы мобильной съемки позволяет уменьшить дисторсию при проецировании на плоскость протяженного облака точек (смотрите схему на Рисунке 20).

Рисунок 19 – Данные мобильной съемки Trimble MX9 в TBC
Рисунок 20 – Данные Trimble MX9 разбиваются на секции для применения масштаба к каждой из них

Данные сканирующих инструментов Trimble и других поддерживаемых сканеров

Когда сканы из оптических или сканирующих инструментов Trimble (таких как сканирующий тахеометр Trimble SX10 или сканер Trimble X7) импортируются в TBC, они привязаны к своим станциями. Информация о станции позволяет TBC закоординировать и отмасштабировать данные сканирования автоматически. Это приводит к тому, что дополнительные входные параметры не требуются, а сами данные будут согласованы с другими геодезическими данными со станций, так же как данные GNSS приемников или тахеометров. Имеется два типа облаков точек со станции: созданные со станции съемки и созданные со станции сканирования.

Данные сканирования, созданные Trimble SX10, используют станцию съемки (например, определенную обычной установкой или засечкой) и будут зарегистрированы соответствующим образом после импорта в TBC, используя её координаты и ориентировку - так же как в тахеометрии. Если станции, на которых были сделаны сканы, перемещаются, то данные сканов тоже будут автоматически перемещены и сориентированы для соответствия геодезическим данным и отмасштабированы на основе нового местоположения станции в проекте съемки.

Данные сканирования, созданные Trimble X7 или другими поддерживаемыми сканерами, и которые были зарегистрированы сразу в поле, импортируются в   TBC как станции сканирования и используют координаты и ориентировку, назначенные в поле. Обычно это означает, что они будут закоординированы около (0,0,0) в СК проекта и полевая регистрация будет сохранена. Данные сканирования импортируются в проект TBC с масштабом на основе координат станций сканирования. Пользователь сам решает, делать ли ему геопривязку или смещать данные сканирования Trimble X7 в TBC, в результате чего сдвигаются и сами станции сканирования. Если станции сканирования смещаются в результате геопривязки или другой регистрации, то для перемасштабирования сканов будут использоваться новые координаты станции.

Данные других поддерживаемых сканеров, которые не были зарегистрированы или геопривязаны перед импортом, также будут относиться к станции. Сначала сканы размещаются в TBC на основе координат станции, которые (возможно) были введены в поле или которые (возможно) уже существуют в проекте TBC. Например, станции сканирования Trimble SX10 могли быть закоординированы в Trimble Access. В таких случаях TBC будет импортировать станции сканирования с облаками на основе координат из полевого файла. Если в поле координаты не были установлены (например, при работе с Trimble TX8), то TBC будет импортировать станции сканирования с координатами (0,0,0). Подобно сценариям выше со станциями съемки Trimble SX10 и зарегистрированными в поле станциями сканирования Trimble X7, импортируемые в TBC данные сканирования масштабируются в TBC на основе координат станций сканирования. Уже после импорта облака точек можно будет геопривязать или зарегистрировать, что приведет к смещению станций сканирования. Если станции сканирования смещаются, то используются их новые координаты для перемасштабирования сканов. При этом сами станции сканирования получат небольшое изменение в ориентировке из-за эффекта сближения сетки. Эти изменения математически необходимы для того, чтобы сканы располагались и ориентировались правильно для соответствия данным проекта. В итоге любая регистрация существующих сканов после смещения будет изменена и нуждается в повторном контроле. Регистрация между группами сканов и уточнение регистрации внутри групп должны быть проконтролированы после геопривязки сканов в TBC.

Данные в других форматах

TBC поддерживает импорт файлов облаков точек в большинстве отраслевых форматов, таких как *.e57, *.las, *.laz и других. Эти облака точек могут поступать из любого инструмента или программы; TBC не знает их источника. Например, файл может включать облако точек без геопривязки непосредственно из наземного сканера, или облако точек уже с привязкой в плоскую систему координат проекта, скажем в СК UTM.

Поэтому для правильного размещения облака точек в геодезической среде программы TBC предоставляет возможности выбора опций при их импорте, как показано на Рисунке 21:

Рисунок 21 – Опции масштабирования при импорте облаков точек в TBC

Выберите нужную опцию на основе известной информации об импортируемом файле. В противном случае имеется риск того, что облако точек будет неправильно размещено и отмасштабировано, и не будет соответствовать другим данным в проекте. Это влияние неверного масштаба на данные может быть как существенным, так и нет.

При импорте облаков точек в TBC или в другие CAD пакеты необходимо ответить на следующие вопросы:

  • Какой инструмент создал облако точек?
  • Облако точек уже было геопривязано, зарегистрировано или отмасштабировано?

Опции меню импорта, показанные выше на Рисунке 21, включают самые общие случаи импорта облаков точек в TBC. Поставив галочку на “Другие опции” вы получите дополнительные опции, включающие менее общие ситуации, такие как импорт облака точек с геопривязкой в СК, отличной от СК текущего проекта TBC (Рисунок 22).

Рисунок 22 – С галочкой “Другие опции” поддерживаются дополнительные сценарии импорта

При выборе опции “Облако точек без геопривязки” или “Облако точек с геопривязкой” TBC считывает облако точек и вычисляет центр тяжести, к которому применяет комбинированный масштаб. Подобно другим геодезическим данным, этот комбинированный масштаб зависит от СК и положения облака точек внутри проекта TBC. Обрабатывая данные облаков точек и геодезические данные в единой уникальной геодезической среде TBC, данные GNSS и тахеометров будут согласованы с данными облаков точек из любого источника (как показано на Рисунке 23).

Рисунок 23 – TBC предоставляет возможности для согласования данных облаков точек геодезическим данным в проекте

Если вам непонятно, какую опцию надо выбрать, то найдите тему “Select Scale Options When Importing a Point Cloud File” среди разделов Справки по TBC (Рисунок 24), нажав прямо в диалоге импорта на кнопку Помощь. В этой теме предусмотрена дополнительная информация и примеры корректного импорта облаков точек.

Рисунок 24 – В разделах Справки по TBC есть дополнительная информация по корректному импорту облаков точек

Экспорт из TBC

При экспорте данных из TBC в другое ПО важно учитывать, как будут использоваться данные и какого типа данное ПО. Например, экспорт точек из TBC в *.csv файл выполняется напрямую, поскольку координаты в файле соответствуют таковым в TBC. Но если СК и единицы в последующем ПО не соответствуют таковым в исходном проекте TBC, то данные экспорта не будут правильно размещены в ожидаемом районе. Геодезисты могут сказать, что это легко обнаружить, но даже в таком простейшем случае экспорта ошибка может быть пропущена, особенно около границ проекции или при переходе между регионами с различными единицами длины.

При экспорте геометрии (ломаных 2D/3D линий, окружностей, полигонов) риски те же, что и с файлами точек. TBC экспортирует размеры и координаты, которые соответствуют выводимым в проекте. Контроль соответствия СК и единиц при их последующем импорте предоставляется осуществлять пользователю.

Экспорт облаков точек из среды TBC тоже не так прост; в ходе него очень важно понимать, в каком ПО будет использоваться это облако точек, и как оно будет интерпретировать такие данные. Используйте следующую таблицу для помощи при экспорте из TBC:

Дополнительные материалы по теме

Видеоматериалы по теме на канале TBC Survey and Construction.

Набор учебников Tutorial

Справочный портал по TBC