Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Определение полосы варьирования при существующих требованиях к изысканиям и проектированию инженерных сооружений 14
1- Анализ современной теории и практики изысканий и проектирования автомобильных дорог 14
1.2. Анализ основных принципов трассирования автомобил ьных дорог 21
1.3. Общие принципы технико-экономического установления полосы варьирования трассы 30
1.4. Технологическая основа, основные подходы установления полосы варьирования трассы 40
1.5. Цели и задачи исследовании 45
Выводы по 1 главе 46
Глава 2, Методы получения и обработки информации о районе изысканий 48
2. Исходные данные: требования, источники и процедуры получения, использование 48
2.2. Системы спутниковой навигации 56
2.3. Дистанционное фондирование 63
2.4. Геофизические методы изыскательских работ , .„ 70
2.4.1. Сейсмических разведка 72
2.4.2. Электромагнитная разведка 73
2.4.3. Радиолокационное зондирование 75
2.5. Программные средства обработки данных дистанционного зондирования78
Выводы по 2 главе , 82
Глава 3. Информационное обеспечение представлении и анализа частных поверхностей и проектных решений 83
З.1.. Комплексная обработка информации в геоипформациопиых системах 83
3.2. Технологии визуализации пространственных данных 87
3.3, моделирование пространственных данных частных поверхностей района
Изысканий 90
3.3.1. Решение задачи установления полосы варьирования трассы на основе гридовой модели представления данных 96
За интеграция данных на основе ячеистой структуры 100
3.5, интерполяция поверхностей и анализ пространственных данных в гис для
Целей представления и пространственного анализа района изысканий 107
Выводы по 3 главе > 118
Глава 4. Практическая реализация предлагаемого подхода установления полосы варьирования трассы 119
4 Группировка, классификация и нормализация факторов информационных Слоев 119
4.2. Аппроксимация значений точечных и объектных форматов данных па основе ячеистой структуры 130
43. Формирование суммарной стоимостной поверхности с помощью инструментальных средств анализа пространственных данных в гис 136
4-4. Алгоритм поиска грид-повегхностп накапливаемой стоимости 140
4.4. Ї. Алгоритмические методы поиска пути с помощью автоматизированных компьютерных систем на основе графов 141
4.5-примеры и эффективность применения предлагаемой технологии формализованного установления полосы варьирования трассы 153
4.5.1. Перспективы развития комплексной методики установления узкой полосы варьирования трассы ї55
Выводы по 4 главе 158
Общие выводы 159
Литература 162
Приложения
- Анализ современной теории и практики изысканий и проектирования автомобильных дорог
- Исходные данные: требования, источники и процедуры получения, использование
- Комплексная обработка информации в геоипформациопиых системах
- Группировка, классификация и нормализация факторов информационных Слоев
Введение к работе
Одними из важнейших элементов инженерных: изысканий являются современные информационные технологии и автоматизированный процесс решения проект-пых задач. От них в значительной степени зависит получение необходимых материалов для экономически целесообразных и технически обоснованных решений при проецировании и строительстве объектов, данных для составления прогноза изменений окружающей природной среды под воздействием строительства и эксплуатации автомобильной дороги и в итоге эффективное использование финансовых ресурсов,
В настоящее время в проектных организациях разработка и внедрение компьютерного аналитического обеспечения по темпам роста отстает от общей информатизации инженерных работ, в которой наметились изменения в сфере получения, обработки, обмена данными и повышение требований к качеству проектов. Поэтому недостаточно полно удовлетворяется потребность в современных программных пакетах, способных помочь проектировщикам в выполнении всесторонней глубокой проработки проектных решений с обоснованием их оптимальности, эффективности, долговечности, безопасности и экономичности, а также обеспечивающих возможностями современного оформления проектной продукции.
Система и методология проектирования, сформированные в условиях отсутствия высокопроизводительной вычислительной техники и программного обеспечения, требуют инноваций. В связи с этим возникает необходимость в развитии информационных систем технической подготовки производства, способных повысить объективность, достоверность и оперативность принимаемых решений, обеспечить современный подход к оформлению проектной документации, которая должна в полной мере отвечать современным требованиям.
Росаптодор не устраивает качество разрабатываемой проектной документации. За 1999 год 50% инженерных проектов, рассмотренных управлением экспертизы, были возвращены на доработку [70J. Причиной этого обстоятельства являются недостатки и недоработки по инженерным и рабочим проектам, в которых не имеется обоснования выбранного пространственного положения трассы в полосе отвода в части ее наилучшего решения: оптимальности по отдельным участкам и в целом с представлением соответствующих табличных данных, достижения наилучшего со-
четания элементов плана и профиля для обеспечения требуемой и максимально возможной видимости полотна дороги и ее зрительного восприятия. Поэтому преимущество в современных условиях проектирования имеют проектные организации, располагающие высококвалифицированными специалистами в области пространственного проложения дороги в мпоговариантном анализе.
Не редки случаи, когда в ходе выполнения дорожных работ или после ввода объектов в эксплуатацию обнаруживаются ошибки проектировщиков, которые приводят к увеличению стоимости работ, возникновению участков с повышенной аварийностью или сокращению сроков службы дорожных сооружений. Поэтому на каждом этапе разработки проекта инженер должен с помощью гибкого многокритериального компьютерного механизма дополнять решение поставленных задач и обеспечивать необходимый уровень представления данных.
Одной из основополагающих задач современной технологии инженерных изысканий автомобильных дорог и подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий является разработка методов и создание алгоритмов автоматизированного установления границ полосы варьирования конкурентоспособных вариантов трассы. В настоящее время эта важнейшая задача решается субъективно, без надлежащего научного и экономического обоснования, при этом передки существенные просчеты, влекущие за собой большие экономические потери.
Рабога предназначена для создания метода определения полосы варьирования с применением геоинформационных технологий, чтобы автоматически генерировать полосу варьирования для проложения трассы с минимальными затратами, удовлетворяющего определенным ограничениям. Разработанный алгоритм позволяет проводить пространственный многокритериальный анализ района изысканий и таким образом обосновывать решение задачи установления полосы варьирования трассы дорог и пугей промышленных и транспортных предприятий.
Проектировщикам в оценке расходов при прокладке маршрутов по различным участкам полосы варьирования трассы благодаря применению разнообразных комбинаций строительных сооружений и проходов через препятствия предоставляется свобода балансирования между социальными воздействиями (работа с местными жителями) и воздействиями на окружающую среду (расход топлива, эмиссия вредных веществ). Компьютерный анализ ни в коем случае не может заменить проектировщика, но это - инструмент поддержки решения, основанный на формализованных
параметрах, который помогает минимизировать воздействие субъективных решении, сделанных им,
В процессе разработки проекта стремятся обеспечить высокие потребительские свойства дороги пользователям транспортной системы. Эти свойства должны находиться в равновесии с социальными и экономическими критериями, окружающей средой, техническими параметрами. Поэтому, проект автомобильной дороги должен выполняться с учётом суммарной эффективности, а также общественных целей, планов и показателей. При проведении экономических изысканий и составлении проекта обоснования инвестиций строительства инженерного сооружения требуется проведение инженерных изысканий. Для оптимизации и совершенствования проектпо-изыскательских работ на этом этапе можно использовать высокоэффективное гео-нпформациошюе программное обеспечение.
Конечно, главный инженер проекта как ответственный за все аналитические и практические работы обладает соответствующими знаниями и опытом трассирования. Трассирование дороги ведется в какой-то степени субъективно. Уже при беглом взгляде на карту инженер подсознательно, интуитивно ассоциирует исходный материал с предыдущими проектами и назначает, по его мнению, оптимальные границы полосы варьирования. Но интуиция, к сожалению, подразумевает долю субъективной оценки и, следовательно, не исключает просчеты [109]. Поэтому для формализации, повышения уровня технического обоснования промесс установления полосы варьирования трассы требует разработки, развития и совершенствования информационно-аналитических систем и алгоритмов их функционирования па базе компьютерных систем.
Затраты па строительство новой дороги или реконструкцию существующей непосредственно зависят от выбранного направления трассы на местности. В.Ф. Баб-ков отмечал, что «...если плохое покрытие может быть без особых трудов улучшено и усовершенствовано в процессе капитальных ремонтов, то неудачно запроектированные в плане и профиле участки дороги в течение многих лет являются источником экономических потерь автомобильного транспорта и местами систематических дорожных происшествий» [5], Увеличения затрат связаны с нерациональным удлинением дороги, значительными колебаниями отметок земли, большими размерами выемок и насыпей, дисбалансом между объёмами изымаемого и привозного грунта. Эти недоработки возникают в связи с тем, что трассирование подчиняется многим
ограничивающим факторам типа геометрических параметров и обходов различных областей на маршруте. Проблема увеличивается в городских или пригородных условиях, где на проектирование новой или реконструкцию существующей дороги также влияют расположение предприятий дорожного сервиса, существующие дороги и сооружения, а также экономические, социальные и политические аспекты землепользования.
Первый шаг в создании полос варьирования - это получение подходящих данных о ландшафте, геологии, гидрогеологии, гидрографии, водотоках, поймах, существующей уличпо-дорожной сети и границах урбанизированных территорий. Кроме того, необходимы сведения об использовании земли и собственности, экологически чувствительных областях, социально-экономическом воздействии в ходе реализации инвестиционного проекта, В зависимости от длины дороги и сложности материальной и социальной среды могут потребоваться месяцы, чтобы собрать необходимые данные. Сбор данных па локальном участке может даже протекать с конфликтами, поскольку местные жители будут пытаться придумывать какие-либо факты неблагоприятного воздействия инженерного сооружения на стадии проектирования, задолго от строительства дороги.
Проведенная автором работа расширила область применения геоинформационных систем для установления полосы варьирования при пространственном проложе-ниїі трассы в многовариантном анализе. Она позволяет достичь наилучших строительных, транспортно-эксплуатациопных и экономических показателей на основе использования современных моделей местности с геодезическим обоснованием и представлением данных для обработки в пакетах прикладных программ автоматизированного выполнения расчетов, иллюстрированием промежуточных результатов соответствующими изображениями и графиками. Исследования обеспечивают повышение уровня обоснованности выбранного пространстве!пюго положения трассы в связи с ее наилучшим решением: оптимальностью по отдельным участкам и в целом (с представлением соответствующих данных), достижением наилучшего сочетания элементов плана и профиля с ландшафтом, обеспечением требований строительных норм.
Общая цель работы состоит в совершенствовании процесса установления полосы варьирования трассы таким образом, чтобы обеспечить в его рамках учет технических, социально-экономических, экологических вопросов, а также внедрение
формализованного подхода установления полосы варьирования автомобильной дороги, подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий с применением гсоинформационпых систем.
Актуальность темы. Современные технологии проектирования инженерных сооружеттии с распределенной структурой позволяют разрабатывать большое число проектных вариантов в широкой полосе района проектирования. Это обстоятельство расширяет возможности проектировщика, но требует выполнения комплексных дорогостоящих изыскательских работ, затраты на которые составляют до 10% объема инвестиционного проекта строительства инженерного сооружения.
Так основные изыскательские мероприятия включают в себя:
сбор данных о ландшафте, геологии, гидрогеологии, гидрографии, водотоках, поймах, существующей улично-дорожной сети и границах урбанизированных территорий;
сбор сведений об использовании земли и собственности, экологически чувствительных областях, социально-экономическом воздействии в ходе реализации инвестиционного проекта.
Как показывает практика, перечисленные мероприятия требуют денежных затрат в размере до 10% объема инвестиционного проекта строительства автомобильной дороги. Если учесть, что такие работы необходимо проводить для каждого варианта трассы, то получаются значительные затраты, обусловленные следующими факторами:
большими массивами разнородной информации в базах и банках данных;
необходимости сквозной технической совместимости, единообразия описания, представления и обработки интегрированных данных при организации и ведении специализированного информационного и программного обеспечения.
Практика установления полосы варьирования инженерного сооружения с распределенной структурой (подъездные и внутренние пути промышленных и транспортных предприятий, конвейер промышленного предприятия, трасса автомобильной дороги) во многом зависит от опыта, знаний, интуиции проектировщика и поэтому не гарантирует отсутствия грубых ошибок и просчетов.
Задача повышения надежности и обоснованности принятия решений при установлении расположения инженерных сооружений с распределенной структурой, а также оіраничеїшя полосы варьирования за счет ранжирования территории изыска-
ний с применением формализованных алгоритмов и геоинформационных технологий является актуальной и должна решаться комплексно в авгоматизироваппых системах технической подготовки производства (АСТПП).
Целью исследования диссертационной работы состоит в автоматизации технологических процессов обработки и анализа интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой и снижении стоимости изысканий за счет разработки нового подхода и методики формализованного установления полосы варьирования трассы автомобильной дороги, подъездных и внутренних путей промышленных и транспортных предприятий и расположения конструктивных элементов с применением геоинформационных технологий,
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи, ориентированные па разработку метода, позволяющего наиболее полно оценить шшянис различных факторов на установление полосы варьирования и создать алгоритм работы с реализацией его в виде геоипформационного проекта:
проведение анализа практики изысканий, принципов трассирования и методов сравнения зон варьирования для изысканий инженерных сооружений с распределенной структурой;
провести исследования комплексного использования возможностей современных информационных систем сбора данных о районе изысканий;
оценка геоинформационных технологий пространственного анализа и возможностей их применения для достижения цели исследования, включающая классификацию пространственных инструментов геоинформационных систем (ГИС), их математического обеспечения;
разработать модели, аппроксимирующие условия района изысканий с возможностью их классификации;
разработка алгоритмов и программы установления и построения полосы варьирования трассы па основе комплексного анализа информационных слоев, определяющих условия района изысканий;
разработка нового подхода к построению суммарной стоимостной поверхности;
разработка метода формализованного установления полосы варьирования трассы по накапливаемой стоимости в каждой ячейке грида.
Объектом исследования являются промышленные геоинформационные технологии и инструменты пространственного анализа; предмет исследовании - авто-
матизация сбора, обработки и анализа необходимой для технического установления полосы варьирования трассы информации с использованием классификации района изысканий по информационным слоям, геоипформациоптгьте компоненты системы технической подготовки производства при инженерных изысканиях.
Методы исследования. Теоретической и методологической базой исследования являются гсоинформационные технологии получения и обработки интегрированных данных о районе изысканий, к которым относятся современные методы информатики, включающие в себя компьютерную геометрию, алгебру карт, теорию графов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложены методы формализации пространственных данных па основе применяемых на практике классификаций характеристик исследуемого района местности;
разработан метод представления района инженерных изысканий в информационных слоях в формате грид;
разработан новый подход комплексной оценки района изысканий через построение суммарной стоимостной поверхности, получаемой как результат суммирования частттых стоимостных поверхностей, выражающих влияющие па стоимость строительства факторы;
разработан новый подход к установлению полосы варьирования трассы путем его формализованного вычисления с применением теории графов по суммарной стоимостной поверхности;
разработаны и теоретически обоснованы алгоритмы, реализующие методику установления полосы варьирования трассы.
Практическая ценность работы. Реализована и предоставлена методика применения инструментов сбора исходной информации в широкой полосе местности. Теоретические разработки и практические исследования доведены до методики в виде программного продукта, позволяющего выполнять рабогы по установлению полосы варьирования трассы. Результаты диссертационного исследования нашли практическое применение, подтвержденное справками о внедрении и используются в учебном процессе по специальностям 291000 - «Автомобильные дороги и аэродромы» и 220200 - «Автоматизированные системы обработки информации и управления».
Реализация работы. Разделы мегодики обработки и анализа интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой и установления полосы варьирования трассы с применением гсоинформационных технологий были использованы и послужили осттовой при проведении исследований и подготовке отчетов по следующим программам:
НТП "КОНВЕРСИЯ И ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. 1997-2000 годы", НИР Б070197 «Разработка теоретических основ и принципиальных методов изыскания, проектирования и эксплуатации сети автомобильных дорог с использованием спутниковых навигационных систем и компьютерных технологий», 1997-2000 гг.
МНТП «Перспективные технологии в геодезии, кадастре и мониторинге земель России тта основе спутниковых, оптоэлсктронных и геоинформационных систем («ПЮИНФОКАД»)», ПИР Б070298 «Разработка и исследование автоматизированных ГИС-технологий и сетевых информационных систем для территориальных баз данных картографической, экологической и кадастровой информации для дорожного хозяйства», 1998-2000 гг.
НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», НИР Б070301 «Управление и обеспечение безопасного функционирования транспортно-дорожного комплекса с использованием ГИС-технологий и спутниковых навигационных систем», 2001-2002 гг.
НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». НИР Б070303 «Исследование возможностей геоинформационных систем для мониторинга уровня безопасности движения па автомобильных дорогах», 2003-2004 гг.
ВНП «Развитие научного потенциала высшей школы», НИР Б070305 «Применение геоинформационных систем для оперативного информационного учета параметров безопасности дорожного движения в режиме реального времени», 2005 г.
Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на: научно-методических и научно-исследовательских конференциях МЛДИ(ГТУ), 1999-2001 гг.; Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные проблемы дорожного строительства и хозяйства Северо-Западного региона России", 1999 г,, Вологда; Всероссийском совещании работников дорожного хозяйства по вопросам совершенствования проектно-сметпого дела в дорожном хозяйстве, 2000 г.7 Москва; Пятой Международной конференции «Современные информационные технологии и
эффективные организационные решения в управлении развитием городов и регионов» УРБИС-2000, 2000 г., Химкинский район Московской области; ежегодных международных конференциях «Современные технологии изысканий, проектирования и геоинформационного обеспечения в промышленном, гражданском и транспортном строительстве», 2000-2001 гг„ Москва; Международной научно-практической конференции «Проблемы автомобильных дорог России и Казахстана», 2001 г., Омск; опетной конференции-выставке по подпрограмме «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2002 г., Москва-Звенигород; XI Всероссийском форуме «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития», 2004 г., Москва, РАГС; выставке "Достижения МАДИ(ГТУ)-75", 2005 г., Москва, МАДИ(ГТУ).
Публикации- По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов, списка литературы из 144 па-именований, 11 приложений и изложена на 168 страницах текста, содержит 89 рисунков, 9 таблиц.
В первой главе проводится анализ существующих принципов установления полосы варьирования трассы и их реализация в нормативной литературе, а также в практической деятельности при изысканиях автомобильных дорог. Проведены теоретические исследования и и пределен состав нроектно-шыскательских работ на стадии обоснования инвестиций и проработки направления ірассьі для установления полосы варьирования трассы. На основе проведенного анализа сформулированы направление, цели и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с автоматизированными инструментами и методами массового получения данных при изысканиях автомобильных дорог. Решена задача сбора больших массивов инфирмации для анализа района изысканий в широкой полосе местности, предложены механизмы компьютерной обработки потоков данных, представлены результаты практических исследований с оценкой значимости информации, ее стоимости, путей получения, приоритетности. Это позволило на основании различных сравнений определить форматы и приоритеты в исследованиях по обработке и анализу итерированных исходных данных для
целей импорта и путей интерпретации для использования в геоинформационном анализе.
В третьей главе исследованы вопросы систематизации, хранения, представления условий района изысканий автомобильной дороги в компьютерном цифровом виде. Разработаны модели представления просіранственньїх данных, их группировки в едином информационном пространстве и вычисления полосы варьирования трассы на базе геоинформационных технологий как инструмента обработки и пространственного анализа, предназначенного для представления данных при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, и обеспечивающие единый методологический подход с соблюдением принципа взаимной совместимости информации, основанной на применении единой государственной системы координат, картографических проекций, единых классификаторов, кодов, системы единиц, входных и выходных форматов.
В четвертой глапе представлены экспериментальные исследования автоматизированного установления полосы варьирования трассы по формализованной методике, учитывающей технические требования, предъявляемые к трассированию, ландшафт, геологию, линейные и контурные препятствия, зоны, требующие специальной оценки по социальным или техническим аспектам взаимодействия с окружающей средой. Разработаны механизмы объединения различных факторов района изысканий в зависимости их типа. Проведение алгоритмического эксперимента позволило написать программу, рассчитать и дать конкретные рекомендации по установлению полосы варьирования автомобильной дороги.
Анализ современной теории и практики изысканий и проектирования автомобильных дорог
Современный процесс производства изыскательских и проектных работ должен ориентироваться на:
получение топографической и другой изыскательской информации в пределах широкой полосы варьирования трассы (до 1/3 длины трассы} на ранних стадиях проектирования, когда рассматриваются принципиальные, конкурирующие направления будущей дороги [100];
широкое применение современных автоматизированных методов получения полевых и других данных по району изысканий;
выполнение работ в едином информационном пространстве, обеспечивающем возможности обмена данными, преемственности проведения последующих работ;
полную автоматизацию подготовки, оформления и тиражирования проектно-сметной документации.
Инженерные изыскания для строительства являются видом строительной деятельности, обеспечивающей комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения.
На основе материалов инженерных изысканий для строительства осуществляйся разработка предпроектной документации, в том числе обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, охватывающей расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров, а таюке рекомендаций для принятия экономически, технически, социально и экологически обоснованных проектных решений [92],
В состав инженерных изысканий для строительства входят следующие основ-ные виды: инженерно-геодезические; инженерно-геологические; инженерно-гидрометеорологические; инженерно-экологические; источников водоснабжения, энергоснабжения, дорожностроительных материалов.
Инженерные изыскания для строительства с целью обоснования разработки предпроектной документации должны обеспечивать комплексное изучение природных и техногенных условий региона (района, площадки, трассы), составление прогноза возможного изменения этих условии при взаимодействии с объектами строительства.
Обоснование оценки современного и прогнозируемого экологического состояния должно осуптествляться в соответствии с требованиями «Положения об оценке воздействия па окружающую среду в Российской Федерации»,
Для выяснения экологических показателей необходимо проведение экологической экспертизы. Экологическая экспертиза позволяет еще на стадии инвестиций и проектирования объекта выявить и устранить ошибки в организации природопользования и охране природы. Экологическая экспертиза проектов - это система комплексной оценки всех возможных экологических и социально-экономических последствий осуществления проектов строительства и реконструкции объектов, направленная на предотвращение их отрицательного воздействия па окружающую среду и на решение намеченных задач с наименьшей затратой ресурсов и минимальными нежелательными последствиями.
Инженерные изыскания для подготовки обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений в соответствии с установленным порядком должны обеспечивать в результате выполненного комплекса полевых и камеральных работ получение необходимых и достаточных материалов о природных и техногенных условиях намеченных вариантов мест размещения объекта строительства для обоснования выбора трассы, определения базовой стоимости строительства, принятия принципиальных объемно-планировочных и конструктивных решений, составления схем размещения объектов строительства (ситуационного и генерального планов), оценки воздействия объекта строительства на окружающую среду.
Инженерные изыскания для строительства с целью разработки проекта предприятий, зданий и сооружений должны обеспечивать получение необходимых и достаточных материалов, данных о природных и техногенных условиях, прогноз их изменении с детальностью, достаточной для разработки проектных решений по территории выбранной трассы объекта строительства.
В настоящее время существует несоответствие принятой методики полевых изыскательских работ современным методам изысканий и разработки проектов автомобильных дорог. Это служит одной из причин, затрудняющей повышение уровня качества дорог как на стадии проектирования, так и при ее строительстве и далее при эксплуатации.
На этапе полевых изысканий в большинстве случаев геодезисты выполняют трассирование по выбранному направлению, то есть линейным методом. Съемка производится в узкой полосе (по 100 м в стороны от оси трассы). В процессе изысканий закрепляются вершины углов поворота, створные точки, начало, колец и середина кривых. Полевые данные передаются для дальнейшего камерального проектирования, а закрепленная таким образом трасса в дальнейшем передается заказчику для организации строительства дороги, что не позволяет решить задачу многовариантного трассирования.
Таким образом, основные решения по плану трассы принимаются изыскателями априори в поле. Такой метод не гарантирует того, что удовлетворительное положение трассы на местности будет найдено. В большинстве случаев трассы, закрепленные вершинами углов, точками начала и конца кривых, плохо вписываются в рельеф местности. Движение по дорогам, построенным на таких трассах, не обеспечивает необходимой безопасности. Другие причины исправлений полевой трассы обуславливаются грунтово-геологическими, гидрологическими и прочими индивидуальными условиями. Но возможность исправления полевых трасс при камеральном проектировании существенно ограничена. Чаще всего речь может идти об изменении радиуса кривой, о незначительном смещении вершины угла и тому подобное.
При существующей практике поперечного тригонометрического нивелирования полоса съемки ограничена размерами поперечных профилей. Такая полоса съемки в большинстве случаев недостаточна для поиска окончательного варианта трассы. На этапе камерального проектирования положение трассы может существенно варьироваться относительно ее первоначального закрепления на местности и данных поперечного нивелирования (ширины полевого поперечника) будет недостаточно для интерполирования отметок и построения цифровой модели рельефа местности (ЦМРМ).
Исходные данные: требования, источники и процедуры получения, использование
У твшвлишпъ иолоту варьирования трассы можяо только іюелс проведения m анализа условий района изысканий. Дли тгого проектировщик жжет ЙШОЛЬТСШЛЪ материалы по кдЕшаїу. ситуации, рельефу местности, ірунтам геологачечжгшу строению, пирогеолопршешм условиям /17j« землепользованию, коммушшодош, сети существующих дорог, обеспечен носі Еі района предполагаемого строительства дорши местными строительными материалами, зшїоюдиикам. живописным местам, о5ы кт ш ж.тор&ш и кулыуры. Расчеты должны учитывать требование ландшафтно го проеідаїрошішя [5] и охраны окружающей среды. Необходимо также оценивать 1иагшмоегь информации, се стоимость пути получения. На ЄЮШЖЇКИИ проведенных сравнений (рис. 2Л) были определены форматы н приоритеты ь иеследошишях НО обработке и анализу интегрированных исходных дшиык для целей импорта и путей иніерпретщшдля использования & їсошіфорздацмшшом анализе, гыс. m& ээ і m m Создание карі я ппанов 2ЇЮ : m пешвїн+и съемка 2СЮ І — цифровими оріїїґяиалОі - по кзабрпжу і іиям со спутникам 1С000 SDOO $&№ жш & J rt, 2.L Ср&шшше гошшгшм СТОИМОСТИ аві мити ирошїшщііоб а тїсії Дзшїш ВІЗУ&ШШІІ Ш СОЩ ніт эл иггро=нямз карт и плануй сшжіние инвестиции начинается со шора шжодпых данных, т точности Г ЛОСІ оверноетм когорыя зависит качество оулушего проекта. Производится оценке стожившихся остовий жеіносін [02], Пру ш1еледанаин&х района изысканны уста навливается положение контрольных точек, через которые должна пройти дорога (место входа дороги в город); объекты, которые следует обойти (различные инженерные сооружения, населенные пункты, запретные зоны и т.д.); элементы, способствующие строительству (границы территорий, образующих ландшафт местности); природные условия (ценные угодья). На основании этих данных находится полоса местности, в пределах которой могут располагаться возможные варианты трассы. Дачее производится детальное трассирование, выполняется вариантная проработка проектных решений и их согласование. Только так рассчитывается проект надлежащего качества.
Для системного проектирования большого числа возможных направлений трассы автомобильной дороги уже недостаточно информации, собираемой па узкой полосе вдоль априори принятого направления автомобильной дороги, а необходимы данные о весьма широкой полосе варьирования, где могут пройти конкурирующие варианты трассы. Эта информация (экономическая, топографическая, геологическая, почвенпо-грунтовая, гидрогеологическая, гидрологическая и т. д.) не может быть получена в сжатые сроки и с регламентируемой техническими нормами точностью при использовании традиционных методов наземных изысканий [35]. По сравнению с традиционной технологией материалы изысканий должны быть представлены проектировщику как в традиционном виде (чертежи, профили, таблицы), так и в электронном виде (цифровые и математические модели). Очевидно, что задача автоматизации обработки интегрированных данных при изысканиях инженерных сооружений с распределенной структурой может быть решена лишь при применении принципиально новых видов высокопроизводительного изыскательского оборудования и принципиально новых методов эффективной организации и ведения специализированного информационного обеспечения производства полевых и камеральных работ, банков и баз данных (рис. 2,2).
Определение полосы варьирования трассы - итерационный процесс; первые планы концептуальны и основаны на недостаточно полных данных и принятых параметрах и ограничениях, но когда процесс становится более сосредоточенным, он требует более детальной и точной информации. Алгоритм установления полосы опирается на размещении необходимых данных в АСТПП, которые способны дать законченный анализ многочисленных разнообразных ограничений. Требования данных состоят в том, что если пользователь хочет оценить какое-либо ограничение в рассмотрении, он должен обеспечить систему требуемой информацией. Однако грубые данные и укрупненные значения могут удовлетворять начальному процессу сужения полосы варьирования и уменьшить область, по которой информация должна быть собрана для более детальных изучений. Источники данных - Карты - Дистанционное зондирование (аэросъемка, космосъеша) - Модели - Сырая геодезия (тах ео метр ич ее ка я съемка, планово-высотные обоснования, линейные изыскания) -Геокодирование - Спутниковая навигация Ввод данных -гис - Редакторы (текстовые, специальные) - Обработчики и интерпретаторы - Сканеры, дигитайзеры, векторизаторы - Электронные регистраторы - Стереофотограмметрическая обработка - Импорт из САПР и других внешних систем -Непосредственный ввод данных Редактирование дачных г + Метаданные - табличные - векторные (объекты) привязка изображений - модели {TIN, грид) Картоснова Снимки высокого разрешения Текстовые данные Предоставление данных Копирование файлов Заявка на производство Конвертация по запросу Картографический Интернет-сервер Интеграция с внешней системой Аналитические выводы и отчеты Запрос данных - Развертывание данных - Карты, отчеты, твердые копии - Инструменты доступа [напр. ГИС) - Графоаналитические отчеты (диаграммы, выборки) - Геодэнные, атрибуты, связанные таблицы Рис, 2,2. Обща и схема взаимодействии блоков организации и ведении информационного байка данных о районе изыскании Исходные данные необходимо целенаправленно отобрать. На каждом этапе работы с данными необходимо чётко представлять целостную картину обрабатываемого материала. При отборе материалов для создания компьютерной картографической базы данных инженер проекта должен быть уверенным, по крайней мере, в четырех факторах: 1. Возраст и дата картографических материалов. 2. Картографическая точность цифровых геоданных. 3. Разрешающая способность и детализация пространственной информации, 4. Совместимость картографических слоев с другими входными картами. Возраст и дата определяют, является ли карта достаточно актуальной для анализа, который будет проводиться, и не требуется ли незамедлительное уточнение данных по району изысканий. Картографическая точность, разрешающая способность и детализация должны быть достаточными, чтобы закончить анализ, но не настолько детальными, чтобы необоснованно увеличить стоимость ввода, потери ско 51 рости при обработке и чрезмерного размера базы данных. Входные карты должны быть совместимы. Простые вещи, например, расположение точек регистрации или соответствующих точек па различных картах, могут облегчать конструкцию базы данных. Точность анализа зависит от последовательности и точности варьируемых данных.
Комплексная обработка информации в геоипформациопиых системах
Комплекс проблем, связанных с установлением полосы варьирования, в частности, и проектированием дороги в целом, требует от информационной системы не только возможности получения, хранения, обновления, обработки, визуализации различных видов географически привязанной информации (картоірафических материалов и баз данных). Необходимы также аналитические инструменты для оперативного комплексного прогнозирования, моделирования и принятия решений по развитию разнообразных процессов и широкому кругу вопросов (картографирование, изыскания, проектирование, строительство, эксплуатация, диагностика, паспортизация и т.д.), функции интерполяции рельефа и нахождения характеристик, связанных с поверхностями, возможность программирования специализированных задач. Такими возможностями обладают геоинформационые системы [20, 35].
Недостатком традиционных САПР-АД в подобного рода расчетах является то, что в них нельзя оценить район изысканий без проведения трассирования, которое должно опираться на картографические материалы высокого качества. САПР-АД не может по своей функциональной природе оценивать широкий круг информационных слоев, по является многофункциональной системой, решающей широкий комплекс инженерных задач. Пример взаимодействия модулей системы «CREDO» представлен нарис. 3.1 [129].
И только комплексное применение САПР-АД и ГИС позволяет оценить по всем факторам район изысканий и дать адекватное решение.
Для анализа района изысканий в ГИС-проекг были включены данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, трид). При создании ГИС-проекта необходимо определить соответствующий задачам набор его функциональных возможностей, в которых реализуются операции геоинформациоппых технологий, В зависимости от размеров анализируемого объекта по территориальному охвату различают ГИС государственные, региональные, субрегиональные и локальные, что важно для назначения систем координат и проекций. Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами (научными и прикладными), среди которых инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр), анализ, оценка, мониторинг, управление и планирование, поддержка принятия решений.
Главным преимуществом ГИС является наиболее "естественное" (для человека) представление как собственно пространственной информации, так и любой другой информации, имеющей отношение к объектам, расположенным т в пространстве" (атрибутивной информации). Способы представления атрибутивной информации: числовое значение с датчика, таблица из базы данных (как локальной, так и удаленной) о характеристиках объекта, его фотография, реальное видеоизображение.
Геоинформационные системы стали инструментом, помогающим решать различные инженерные информационные задачи. Они работают в таких областях, как аккумуляция данных полевой съемки, автоматическое картографирование, оценка данных при проектировании инженерных сооружений, визуализация пространственных данных, управление ресурсами и хозяйством, высокотехнологичные средства вывода на печать. Основная сложность работы с данными при проектировании полосы варьирования трассы заключается в обработке и включении в систему различной по своему характеру и источнику создания информации. Поэтому после глубокого сравнения различных ГИС к практической реализации проекта были приняты системы американской компании ESRI [126, 131],
Объекты, входящие в ГИС, имеют помимо геодезических данных, еще и техно логические характеристики, представляемые в виде разнообразных баз данных, расчеты с включенной в информационную систему технической документацией.
На этапе ввода информации ГИС идентична системам автоматизированного управления производственными и иными объектами (САПР и АСУ). Если сложный объект может быть представлен в виде некоторой схемы, то ГИС становится интерфейсом для доступа к информации от ее источников. Например, это может быть схема транспортной сети (подъездные пути, автодорога, железные дороги, трубопроводы). В таком случае с помощью ГИС пользователь может указать курсором на некоторый элемент схемы и получить информацию о характеристиках и состоянии соответствующего ему объекта: диаметре трубы, ширине полосы движения, типе покрытия дороги, производительности карьера, "истории" создания, инспекциях, ремонтах. Важно также и то, что ГИС содержат средства для создания и редактирования таких схем и, естественно, для организации связи с первичными источниками информации. Тестю связано с ГИС направление использования средств геопозиционирования, обеспечивающих с заданной точностью определение геоірафичеекого положения объектов.
Использование на стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации единой системы координат (СК-42, СК-63, СК-95, местной региональной) позволяет эффективно создавать и вести систему паспортизации, управления эксплуатацией автомобильных дорог региона на основе геоинформационных технологий в общей информационной среде. Кроме того, данные по дорогам на стадиях изысканий, ироектироваЕіия и данные исполнительных съемок по завершении строительства могут быть включены в общую систему. Это особенно актуально в связи с тем. что подавляющий объем просктно-изыскатсльских работ выполняется для реконструкции существующей дорожной сети.
ГИС, как и другие информационные технологии, эффективны п процедурах разного рода, где лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Однако ГИС - это не инструмент для выдачи решений, а средство, позволяющее повысить эффективность процедуры принятия решений и обеспечивающее проектировщика функциями анализа пространственных данных, представления результатов анализа. Требуемая для принятия решений информация предстаачяется в картографической форме с дополнительными текстовыми пояснениями, ірафиками и диаграммами. Наличие доступной для восприятия и обобщения информации позволяет проектировщику сосредоточил ь Сшт усилия на поиске решения, не трати зїіа штель-нош йрсмсіїи па сбор и ООММОЯОВІШНС достушшх разнородных шітегрировашшх дашшх. Можно раесмоіркть несколько вариантов решения и вы&рать наиболее эф-фехпшши.
Процесс создания карт 0 ГИС іирщщегся с создания mm жттых. В качесше штчпшй получсіїш исходных дшшых можно ІІОЛЬГІОІШТЬСЯ И оцифровкой обычных бумажных карг Основанные ш ГИС карт-оарафитсскис бавы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и негамадашшші с конкретным масштабом. Па осионс таких бал лятшк шшш сшдавгпь орты {в $ж%-трошшы виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с се выделением и отображением требуемыми символами. В то-вж время 6ш & дтных может пополняться новыми ;шннычи (например, из других баз данных), а имеющиеся в пей лшшыс можно корректировать по мере необходимости, В герупныч организациях созданная чхизографическая база данных может использоваться в качестве основы другими отделами и подразделениями, ори ттм вшможно оыегро копирование дшшых и их пересылка по еетзш.
Группировка, классификация и нормализация факторов информационных слоев
Цель работы состоят в том; чтобы генерировать полосу варьирования трассы с чииимтытй суммарной стпимосшо :ит. Закопанная поноса варьирования 1рйесы должна служить отправной точкой для проекта в САІ IF-АД. гіщнч% решаемая . " гой главе, формулируется таким образом: надо ішігш самый дешевый путь для проложим трассы но суммарному гриду, чтобы переместиться между двумя пунктами. в разрабої&е баз данных ичеек гряда тш определить задачи проекта Й прикладных программ, проектируемых юш базы данные что требует осмысления моделей, которые будут основаны на исходных данных и типе желаемого результат. Надлежащее определение полосы варьирований па ршщгл стадиях &пу-чепш заканчивайся ценностным анализом гшфпфищетшх данных в пределах еош-в лчл вуюзщло времени. Определив тип провидимого апалша, \южш идентифиниро-аать основные едой;. Для эффехешшостй аналіш необходимые слои дашшх должны быть включены ЇЇ базу дашшх. Доиолштслыше частные едой могут быть вклютеим в шу данных в % душем, сели оли необходимы Типы ірушировок ИЛИ сеток включают о себя: элементы ландшафта, возвышение, уклон шт направления стока; шлрологические полраздшліїїшя, водо шдсльг и бассейны; тшш почвы, геологию к очертания поверхности зешш; биологические ресурсы, раеіше.іьносіь. расположение критические сред обитания, места рачмшгжекия и охраняемые территории; іадходіжшиие земли, урбанизированные облаєш и отрасли промьинлешадти. При выборе елж& данных, акггаетспзукшшх тішу ашэлдаа, Е некоторых елуиа ях данные будут ис точны, ИХ будет недостаточно ш тогда может потребоваться по вториш съшш Спои должны быть южхнфмцировангл, и ячейкам лапы значения, тгшесіїшьтс с типові запланйрованної о анализа. Детальность классификации долж на быть определена исхода ш топкости фиксирования необходимых для анализа данных. При Определении детальности классификации (шпример, с шагом 10% или 3%} необходима выбирать по возможности Солее легальную классификацию, HOIGYIV тго чем шире классификация, те ад (К ЛЫДМ количество типов исследований она под держивает, і la рве. 4.2 предо? амем используемой в аналп-пе переклаесифицирован ныи в слой УЙГІІОЇЇОВ местности слой поверхне " і (в нромялях). Put. 4.2, Шрветлаїччіфіщнро&яшіьШ R сш&уіслоннгс мсетшети «мойї понерішодті рельефа (в яршимт)
При отфедслешш классификаций для элементе слом группировка классификаций ллн каждого слоя полжіж удошшпюртъ ишребшнли в н&пбітсс точним анали-w. который будет вщккінен, Лучше представить дорога и здания & различных слоях if наиболее детально клаеоїфициров#ть каждый ш ник. Классификации должны быть совместимы с внутренними правилами иредприяшй в соответствовать государственным стандартам. Иначе может возникнуть сіпуацня когда щи согласованиях проекта в юсударстеешшх структурах потребуется идентификация но шест рат :щчпьт классификациям жилья., а в (ше данных сф\тшироїшш жилое использование земли только в трех классификациях. Вне зависимости от выбранной ші ссЩт-ші№ необходимо предусматривать вшжшноеті- изменения классификации, чтобы учесть будущие возможные корректировки,
Грид может быть создан из более чем одной гш);шой кар. Например, грид гидрологии формируется соединением карт заболоченные іемель; стоков, постоянных водоемов, Все доступные нклдные источники карт додж ш ЪПЪ иестлш&ны ш . по мере необходимости, исиолкмшатьия при ра работ№ балы дшпых.
Иифоршшкяшые елоип ВЯИЯЮЩЙС на расчет стоимости стронгельетва дороги, нсобяшшмо иерскласодфш фовщъ, руководстнуя сь разработанными комплексами техкиш-э ко комических показателей, соответствующих анализируемым слоим вели-чип- Затем они нормализуются ио стоимостным критериям (рис, 43)у чтобы: показатели с радноїшашжыми йбеолютдьши :ШІІЧЄЩШШ величин можно было суммировать в единый грйд для определения итоговой СТОИМОСТИ прокладки дороги через ождую ячейку. Поверхность стоимости моделируется нрн р&семптршш многих пе-ременных, которые влияют на характеристики шттетиниошого процесса. Когда моделируются затраты m строительство доротн. необходимо рассматривать переменные, которые иреняггетеулот движению через ячейку. т. 43, Нормалі" - -;s вв B.J-.IB.I ; ч ее, Стоимость про
При необходимости можно прейти на оценочные единицы (например, баллы) путем переклассификация грида. Таким образом, можно присвоить любые новые значения классу или группе ячеек, относящихся к одной классификационной группе. Например, при сопоставлении концентрации загрязнения воды или воздуха различными веществами трудно оперировать абсолютными значениями, так как вещества могут находиться в несопоставимых по порядку значений единицах. Для их сравнения легче перейти к оценочным категориям относительно пороговых значений, с которыми затем можно проводить математические агрегирующие операции - например, вычислить суммарную оценку загрязненности.
Поверхность стоимости определяет сопротивление или стоимость перемещения через ячейку. Значение в каждом расположении представляє! стоимость на единицу расстояния при перемещении через ячейку. Мерой моделируемой поверхности стоимости может выступать время в пути, денежные затраты, расход топлива. Модель стоимости дорожного строительства вычисляет затраты как функцию от типа почв, уклонов рельефа местности, отметок земли, геологии, гидрографии, неблагоприятных для строительства участков, существующих дорог, восприимчивости среды обитания, мест культурной значимости.
В физико-географическом и инженерно-геологическом отношении каждая ячейка характеризуется определенными значениями набора параметров (характеристик) инженерно-геологического, физико-географического, экологического, инженерного и функционального характера; видом использования, уклоном поверхности, несущей способностью грунтов, глубиной залегания грунтовых вод и т.д. В проектной практике эти характеристики территории представляются соответствующими картографическими материалами.
