Reklama

Metódy tvorby geodetických podkladov na rekonštrukciu objektov

Ing. Ján Ježko, PhD., Katedra geodézie, Stavebná fakulta, STU v Bratislave

Recenzovaný

Príspevok predstavuje metódy tvorby geodetických podkladov a dokumentácie pre potreby procesu plánovania, realizácie a rekonštrukcie dopravných, energetických, priemyselných, ekologických i občianskych stavieb, ale i v procese sanácie a ochrany stavebných i historických objektov. V týchto procesoch je potrebné poznať priestorovú dimenziu – údaje o polohe a umiestnení týchto objektov na zemskom povrchu a o ich tvare a rozmeroch. Činnosti ktoré vedú k realizácii, rekonštrukcii i sanácii stavebných diel si vyžadujú kvalitné mapové podklady, fotogrametrické snímky i geodetické modely (3D modely), ktoré sú najčastejšie realizované v digitálnej forme v prostredí vhodného interaktívneho grafického systému na PC v tvare 3D.

Reklama

1. Technické podmienky tvorby geodetických podkladov

Na tvorbu geodetických podkladov v tvare 2D (účelových máp) alebo 3D (účelových máp s výškopisom) je nevyhnutné poznať technické podmienky ich tvorby, medzi ktoré patria technické parametre, kritériá presnosti a geometrický základ tvorby geodetických podkladov (polohové a výškové bodové pole).

V súčasnosti tvorené geodetické podklady majú najčastejšie formu digitálnej mapy. Výhodou digitálnej mapy je jednoduchá a kontinuálna zmena mierky. Kresba digitálnej mapy je bezmierková. Mierku má iba grafický výstup na monitore počítača, alebo na tlačiarni, resp. plotri. Zmenu mierky výstupu uskutočňujeme len nastavením mierky výstupnej kresby a zmenou veľkosti značiek a popisu. Pri digitálnej kresbe preto požadovaná mierka mapovania udáva najmä mieru podrobnosti zberu priestorových údajov pre tvorbu mapy. Geodetické podklady sa vyhotovujú v súradnicovom systéme S-JTSK a vo výškovom systéme Bpv [1].

1.1 Geometrický základ tvorby geodetických podkladov

Geometrickým základom geodetických prác sú všeobecne (v SR):

Pasívne geodetické základy – geodetické body, ktorých parametre sú určené aspoň v jednom záväznom geodetickom systéme. Parametre geodetických bodov sa určujú v týchto sieťach:

Štátna priestorová sieť (ŠPS) pre národnú realizáciu Európskeho terestrického referenčného systému (ETRS),
Štátna trigonometrická sieť (ŠTS) s alfabetickým kódom ŠTS pre národnú realizáciu súradnicového systému Jednotnej trigonometrickej siete katastrálnej S-JTSK),
Štátna nivelačná sieť (ŠNS) s alfabetickým kódom ŠNS pre národnú realizáciu Baltského výškového systému po vyrovnaní (Bpv) a Európskeho výškového referenčného systému EVRS),
Štátna gravimetrická sieť (ŠGS) s alfabetickým kódom ŠGS pre národnú realizáciu Gravimetrického systému (GS).

Aktívne geodetické základy – permanentná lokalizačná služba označená ako Slovenská priestorová observačná služba. Stanice Slovenskej priestorovej observačnej služby sú prevádzkované na vybraných bodoch Štátnej priestorovej siete.

Podrobné polohové bodové pole (geodetické body) tvoria:

pevné body podrobného polohového bodového poľa,
dočasne stabilizované body podrobného polohového bodového poľa. Podrobné polohové bodové pole eviduje správa katastra.

2. Podrobné meranie polohopisu a výškopisu – tvorba 3D modelov

Ako podrobné meranie polohopisu a výškopisu označujeme určovanie polohy a výšky predmetov merania voči stanovisku, resp. určovanie ich priestorovej (3D) polohy v záväzných súradnicových systémoch.

Predmetmi merania všeobecne môžu byť nielen inžinierske objekty, ako stavebné objekty a zariadenia (obytné, účelové, priemyselné objekty, stavby trvalého charakteru pevne spojené so zemou), dopravné objekty a zariadenia (pozemné komunikácie, cestné komunikácie, železničné trate a vlečky, dopravné značky, rampy atď.), ale aj hranice rôzneho druhu (správne, hranice katastrálneho územia, hranice zastavaného územia záujmovej lokality, hranice pozemkov vymedzených právnymi vzťahmi a prirodzené objekty). Pre osobitné ciele – účelové mapy – môžeme merať podľa požiadaviek odberateľa aj ekologické objekty, ale aj menšie technické objekty (vstupné šachty, kanalizácie, uzávery vodovodných a iných sietí, parkovú zeleň) príp. iné objekty a predmety. Podľa členitosti územia, hustoty zástavby, frekvencie dopravy a mierky môžeme voliť pri podrobnom meraní polohopisu a výškopisu z geodetických metód:

tachymetrickú metódu – (elektronická tachymetria (ET),
metódy využívajúce GNSS,
fotogrametrické metódy,
terestrické laserové skenovacie systémy (TLS).

Podrobné meranie polohopisu v súčasnej dobe reprezentuje najčastejšie elektronická tachymetria. ET umožňujú automatický záznam meraných priestorových súradníc alebo záznam vypočítaných pravouhlých súradníc priamo na pamäťovú kartu alebo do pamäte [1].

2.1 Elektronická tachymetria

Elektronická tachymetria je rýchla a výkonná meračská metóda, pri ktorej určujeme z jedného stanoviska súčasne polohu aj výšku bodov zemského povrchu a to tak, že zo stanoviska prístroja meriame pre každý bod:

vodorovný uhol ω, od zvoleného základného smeru dvoch známych v teréne stabilizovaných bodov, z ktorých jeden je stanoviskom prístroja,
výškový uhol β resp. zenitový uhol z,
vzdialenosť s bodu od stanoviska prístroja.

Princíp určenia priestorovej polohy bodu metódou tachymetrie znázorňuje obr. 1.

Rovinné súradnice podrobného bodu 1 určíme zo vzťahov:

Y₁ = Y₅₀₀₁ + s ∙ sin⁡(σ_5001-5002 + ω), (1)

X₁ = X₅₀₀₁ + s ∙ cos⁡(σ_5001-5002 + ω) , (2)

kde:

Y₁, X₁: súradnice podrobného bodu,
Y₅₀₀₁, X₅₀₀₁: súradnice stanoviska,
(σ_5001-5002 + ω): smerník na podrobný bod,
s: vodorovná dĺžka.

Nadmorskú výšku podrobného bodu 1 určíme zo vzťahu:

H₁ = H₅₀₀₁ + h_p + s ∙ tgβ − h_c , (3)

kde:

H₁: nadmorská výška podrobného bodu,
H₅₀₀₁: nadmorská výška stanoviska,
h_p: výška prístroja,
h_c: výška cieľa.

Obr. 1: Princíp tachymetrie

Pred začatím samotného tachymetrického merania územia je potrebné vybudovať a určiť v dostatočnej hustote polohové a výškové bodové pole. Presnosť tachymetrie je definovaná strednou chybou v závislosti aj od vzdialenosti, použitého prístroja, vonkajších podmienok a pod., hodnotami v cm (pre špeciálne práce v inžinierskej geodézii v mm).

2.2 Metódy využívajúce GNSS – Kinematická metóda v reálnom čase (RTK)

Neustále väčší význam pre podrobné meranie terénu nadobúdajú merania pomocou GNSS (Globálny navigačný a satelitný systém). GNSS sú charakterizované ako družicové navigačné systémy, ktoré využívajú meranie času a pseudovzdialenosti. Tieto systémy pracujú na princípe priestorového pretínania z dĺžok. Meranou veličinou je doba šírenia signálu z družicovej antény k prijímacej anténe. Meraný čas je prepočítavaný pomocou rýchlosti šírenia signálu na vzdialenosť. Systém GNSS umožňuje v reálnom čase kedykoľvek a kdekoľvek určiť polohu prijímača v trojrozmerných súradniciach v reálnom čase, avšak za určitých známych podmienok. Základnou podmienkou je, aby meranom mieste (na povrchu Zeme vo výške 15˚ nad horizontom boli v každom okamihu pozorovateľné štyri a viacej družíc. Pri príjme signálu z týchto satelitov je už možné určiť aj nadmorskú výšku.

Obr. 2: Relatívne učenie polohy pomocou GNSS

Pri tvorbe 3D modelu s využitím GNSS sa určuje relatívna poloha pomocou fázových meraní, kde sú simultánne prijímané signály vysielané družicami, umiestnenými na obežnej dráhe Zeme, na dvoch bodoch, pričom poloha jedného bodu musí byť známa. Výsledkom merania je v priestore orientovaný vektor základnice b, ktorý ma určené súradnice (obr. 2) [4].

Kinematická metóda v reálnom čase (Real Time Kinematics – RTK) umožňuje určiť polohu priamo pri meraní v teréne. Metóda vyžaduje dva prijímače. Jeden je referenčný nepohybujúci sa a druhý pohybujúci sa (rover). Podrobnosti o základoch kinematickej metódy v reálnom čase ktorá je jednou z najčastejšie používaných metód určovania relatívnej polohy pomocou fázových meraní sú uvedené v [4]. Polohová presnosť závisí jednak od metódy, a tiež od vzdialenosti b medzi referenčným a pohybujúcim sa prijímačom. Udáva sa 5 až 10 mm + 2 ppm · b. Dosah merania je 5 až 10 km od referenčnej stanice a závisí od hardvérového vybavenia na prenos údajov [4].

Obr. 3: Generovanie virtuálnej referenčnej stanice

Metóda RTK v klasickom ponímaní, s využitím individuálnej fyzickej stanice ako referenčnej stanice, sa v súčasnosti v praxi používa zriedka. Náhradou je využitie Slovenskej priestorovej observačnej služby GNSS – SKPOS, ktorá je tvorená sieťou permanentných referenčných staníc GNSS. Riešenie siete permanentných staníc umožňuje vygenerovať pomocou GPSnetu virtuálnu referenčnú stanicu v blízkosti polohy rovera, ktorý dostáva korekčné údaje vzhľadom na virtuálnu referenčnú stanicu v reálnom čase 365 dní v roku, 24 hodín denne (obr. 3).

Technológia GNSS je oproti klasickým geodetickým metódam veľmi úsporná a efektívna, avšak prvotné náklady sú relatívne vysoké. Všetky podrobné body sú merané relatívne, vzhľadom referenčnej stanici umiestnenej na bode so známymi súradnicami alebo s využitím služby permanentných staníc GNSS (SKPOS) na území SR.

2.3 Blízka fotogrametria

Obr. 5: Ortosnímka náhrobnej platne podľa [2]

Pre zameranie detailov ale i väčších stavebných objektov je možné využiť i metódy blízkej fotogrametrie a TLS s následnou tvorbou 3D modelov týchto objektov. Použitie fotogrametrie je v tomto smere výhodné s pohľadu využívania cenovo dostupných digitálnych kamier strednej triedy. Práca v teréne je obmedzená na minimum času (v porovnaní s inými geodetickými metódami), hlavnú časť procesu pri fotogrametrii tvorí spracovanie vyhotovených snímok v príslušnom fotogrametrickom softvéri [2]. Pri spracovaní sa využíva najčastejšie softvér Photomodeler Scanner, ktorý okrem použitia najbežnejších fotogrametrických metód, ako sú jednosnímková a konvergentná fotogrametria, ponúka aj možnosť procesu DSM (dense surface modeling) – obr. 5. Presnosť fotogrametrických prác sa pohybuje v závislosti od rôznych faktorov vrátane použitých meračských fotokomôr v rozsahu od 0,001 mm až po hodnotu v cm.

2.4 Terestrické laserové skenovanie (TLS)

TLS pracuje na princípe priestorovej polárnej metódy, pričom sa neurčuje priestorová poloha charakteristických bodov objektu, ale na objekte je neselektívne zamerané veľké množstvo bodov rozmiestnených v pravidelnom uhlovom rastri. Výsledkom merania je tzv. mračno bodov, ktoré s vysokou detailnosťou zachytáva skenovaný objekt. Presnosť TLS je závislá na vzdialenosti skenera od meraného objektu, hustoty záznamu (mračná bodov), spôsobu spracovania, ale i vonkajších faktorov (kvalita a farba skenovaného povrchu), použitý skener a i. Všeobecne možno hovoriť o hodnotách niekoľkých mm až niekoľko cm. Na tvorbu modelu z mračna bodov sa využívajú softvéry, ktoré sú schopné mračnom bodov preložiť plochu, tvorenú buď trojuholníkovou sieťou, alebo jednoduchými matematicky preddefinovanými telesami (roviny, guľa, kváder, valec, kužeľ, ihlan) [2]. Príklad zamerania a vytvorený 3D model je na obr. 6 (podľa [2]).

Obr. 6: Hradby (hore), mračno bodov (dole vľavo) a 3D model (dole vpravo)

3. Tvorba geodetických podkladov vo vybraných lokalitách

3.1 Tvorba geodetických podkladov v lokalite „Zvonový vŕšok“ v Banskej Štiavnici

Banská Štiavnica patrí historicky k najzaujímavejším mestám na Slovensku. V roku 1993 získala najvyššie medzinárodné uznanie zapísaním historického jadra mesta spolu s technickými pamiatkami v okolí na Listinu svetového kultúrneho dedičstva UNSESCO [6].

Tvorba geodetických podkladov v uvedenej lokalite pozostávala [3]:

z vybudovania podrobného polohového a výškového bodového poľa,
z priestorového zamerania podrobných bodov v záujmových lokalitách cintorínov,
z výpočtu priestorových súradníc podrobných bodov,
vyhotovenia vrstevnicového plánu,
tvorby účelovej mapy v tvare 2D a 3D.

Meračské práce boli realizované v 3. triede presnosti (3TP) v súradnicovom systéme S-JTSK prístrojom TOPCON GTS 6A s internou registráciou a metódou GNSS prístrojom TRIMBLE GNSS R6 [3].

3.2 Podrobné meranie a tvorba 3D mapových podkladov

Priestorové určenie podrobných bodov terénu, rohov hrobov, stavebných objektov, plotov, stromov a zelene v uvedených lokalitách bolo realizované metódou elektronickej tachymetrie s prístrojom TOPCON GTS 6A s priamou registráciou parametrov potrebných k výpočtu súradníc podrobných bodov pre potreby automatizovaného (kódového) zberu priestorových informácií. Spracovanie meraní a následná tvorba mapových podkladov bolo realizované v počítačovom prostredí programovým systémom WKOKEŠ s grafickým výstupom 2D kresby (obr. 7). Vytvorenie 3D kresby bolo riešené v grafickom prostredí MicroStation s nadstavbou Terramodeler. Nakoniec bol realizovaný export do formátu dwg (AutoCAD) na pamäťové médium [3].

3.3 Tvorba geodetických podkladov pre projekty mostných objektov na rieke Ipeľ

Východiskom a základom merania vo v tejto lokalite bolo základné polohové bodové pole (ZPBP) a základné výškové bodové pole (ZVBP) doplnené bodmi podrobného bodového poľa PBPP), bodmi štátnej priestorovej siete (ŠPS) a hraničného polygónu.

Tvorba geodetických podkladov pozostávala:

z vybudovania podrobného polohového bodového a výškového bodového poľa,
z priestorového zamerania podrobných bodov v záujmových lokalitách,
z výpočtu priestorových súradníc podrobných bodov,
tvorby účelovej mapy v tvare 2D a 3D, obr. 8 [5].

Spracovanie meraní a následná tvorba mapových podkladov bolo realizované v počítačovom prostredí programovým systémom WKOKEŠ s grafickým výstupom 2D kresby s výškopisom (obr. 8). Vytvorenie 3D kresby bolo následné riešené v grafickom prostredí MicroStation s nadstavbou Terramodeler a AutoCAD [5].

Obr. 7: Ukážka spracovaného mapového podkladu [3]

Obr. 8: Účelová mapa 2D – lokalita Rároš

4. Záver

Tvorba geodetických podkladov pomocou fotogrametrie, TLS i klasickou elektronickou tachymetriou (v lokalite „Zvonový vŕšok“ v Banskej Štiavnici i podkladov pre projekty mostných objektov na rieke Ipeľ) môže mať výstup vo forme účelovej mapy – grafický, číselný, alebo v súčasnosti digitálny – v tvare 2D, alebo 3D. Príspevok poukazuje geodetické metódy a možnosti tvorby modelov územia (2D, 3D) i iných objektov (hroby, pomníky, historické stavebné objekty) dôležitých z pohľadu rekonštrukcie a obnovy.

Na základe dosiahnutých výsledkov, ale aj výsledkov z iných realizovaných meraní a projektov, možno skonštatovať, že ponúkane technológie merania a spracovania splňujú požiadavky na kvalitu i efektívnosť tvorby geodetických podkladov pre rôzne účely hospodárskej, technickej činnosti i činnosti pre potreby rekonštrukcie a sanácie stavebných objektov.

Poďakovanie

Príspevok bol vytvorený realizáciou grantového projektu agentúry KEGA MŠ SR č. 037STU-4/2016 „Modernizácia a rozvoj technologických zručností vo výučbe geodézie a fotogrametrie.“

Literatúra

SOKOL, Š. – JEŽKO, J. – BAJTALA, M.: Geodetické metódy zberu priestorových údajov. In: Acta Montanistica Slovaca 3/2007. Košice, 2007, ISSN 1335-788, s. 544–553.
HALIČKOVÁ, J. – MARČIŠ, M.: Dokumentácia pamiatkových objektov blízkou fotogrametriou a laserovým skenovaním. In: Geodézia, kartografia a geografické informačné systémy 2010 [CD-ROM]. Košice: F BERG TU, 2010, 6 s. ISBN 978-80-553-0468-7.
SOKOL, Š. – JEŽKO, J. – BAJTALA, M.: Špecifiká geodetického zamerania Prírodných cintorínov. In: Cintoríny v kontexte kultúrneho dedičstva. Medzinárodná vedecká konferencia, Banská Štiavnica, 2009. STU v Bratislave, SR, 2009, ISBN 978-80-227-3350-2, str. 31–36.
MELICHER, J. – GERHÁTOVÁ, Ľ.: Kozmická geodézia, Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2009, ISBN 978-80-227-3162-1.
JEŽKO, J.: Tvorba geodetických podkladov pre rekonštrukciu mostných objektov. In: Reminiscencie geodézie a fotogrametrie. Odborný seminár s medzinárodnou účasťou. Bratislava, 16. 6. 2009. STU v Bratislave SvF, 2009, ISBN 978-80-227-3045-7, nestr.
www.bstiavnica.pagestory.sk

English Synopsis

The Methods of the Geodetic Documentation Creation for the Objects Reconstruction

The article describes the methods of the surveying data and documentation production. The documentation is used for the process of planning, realisation and reconstruction of transport, energetic, industrial, ecologic and public objects. The documentation is also used in the remediation process and the protection of the buildings and historical objects. In these processes, it is necessary to know the spatial dimension – location data, the location of these objects on the Earth's surface and shape and dimensions of these objects. The activities that lead to the realisation, reconstruction and remediation of building objects require a quality maps, photogrammetric images and geodetic models (3D models), which are mostly realised in a suitable interactive graphic PC system in 3D digital form.