Приложение 3. Создание и использование цифровых моделей преобразования координат между СК-42 в СК-95 в программном пакете ГЕОМАСТЕР

Приложение 3

Создание и использование цифровых моделей преобразования координат между СК-42 в СК-95 в программном пакете ГЕОМАСТЕР

Программный пакет ГЕОМАСТЕР ориентирован в основном на использование данных о ГГС и как основной способ ввода данных использует автоматический импорт данных из геодезических банков данных или из файловых каталогов сформированных программными средствами базы данных или из самого программного пакета в виде бинарных файлов. Предусмотрена также возможность ручного ввода координат пунктов. Программный пакет состоит из четырех основных взаимосвязанных компонентов:

- библиотеки систем координат и координатных преобразований (блок Фундаментальных геодезических параметров - ФГП);

- библиотеки каталогов;

- блока построения цифровых моделей преобразования координат;

- блока уравнивания координат пунктов.

Для работы с программным пакетом имеется достаточно подробное руководство. В настоящем приложении отражены только те моменты, которые имеют непосредственное и обязательное отношение к построению и использованию цифровых моделей и основным этапам этого процесса, но без детального описания всех действий с интерфейсом программы. Описание деталей выполнения операций и дополнительных возможностей программы, в частности в отношении преобразования координат можно найти в руководстве по работе с программой.

П.3.1. Создание описаний свойств систем координат и ФГП

Использование программного пакета начинается с формирования используемых систем координат: их наименований, параметров и основных свойств.

На рис. ПЗ.1 показано главное окно этого блока с несколькими закладками.

В окне открыта закладка назначения параметров эллипсоидов, используемых для формирования требуемых систем координат. На рис. ПЗ.1 схематически показана последовательность действий по добавлению в библиотеку ФГП нового референцного эллипсоида с параметрами эллипсоида Красовского в том случае, если он отсутствует в библиотеке. Этот эллипсоид будет использоваться для работы и с СК-42, и с СК-95.

На рис. ПЗ.1 в главном окне эллипсоид Красовского показан как уже зарегистрированный в библиотеке. В действительности он появляется в списке только после выполнения команды "Сохранить". Подобная некорректность рисунков будет встречаться и в дальнейшем с целью сокращения объема документа. Но соответствующие разъяснения в последующем делаться не будут.

Далее с использованием закладки "Система координат/высот" должны быть указана информация о необходимых системах координат.

На рис. ПЗ.2 показано введение данных для системы координат СК-95.

В окне, вызываемом командой "Добавить", вводится название системы координат и ее тип (размерность). По имеющемуся содержанию главного окна предполагается, что аналогичным образом ранее была введена и информация о системе координат СК-42.

Если предполагается использование координат в виде координат в проекции Гаусса-Крюгера, эквивалентной поперечно-цилиндрической проекции Меркатора (UTM) с единичным масштабным коэффициентом на осевом меридиане, то заранее должны быть заданы и свойства этой проекции:

На рис. ПЗ.3 показано формирование данных проекции для 37 колонки при использовании 6-ти градусных зон.

Отметим, что для решения рассматриваемых задач преобразования координат безразлично, в каком виде будут представлены координаты пунктов в используемых каталогах: в виде геодезических координат (широт и долгот на референц-эллипсоиде) или в виде плоских координат в проекции Гаусса-Крюгера. Это замечание относится как процедуре построения цифровых моделей преобразования координат, так и к их последующему использованию для выполнения такого преобразования.

Последним шагом является формирование так называемых фундаментальных параметров систем координат. Фундаментальные параметры объединяют в себе их уникальное название; сформированное ранее название соответствующей системы координат (СК-42 или СК-95) и ее размерность (плановая); и ее вид (в нашем случае работы с координатами в СК-42 и СК-95 это планово-высотная система).

Вся информация о ФГП, за исключением параметров эллипсоида и параметров проекции, фактически служит для однозначной идентификации свойств данных, содержащихся в конкретных каталогах и указания программе правил действия с этими данными.

На рис. ПЗ.4 показана последовательность действий и содержание всех подокон при формировании ФГП для системы координат СК-95

В состав ФГП в данном программном пакете намеренно не включены данные о положении конкретных систем координат в теле Земли. Точнее говоря о ее положении относительно некоторой системы координат, принятой в конкретном приложении за "эталонную" общеземную геоцентрическую систему координат. К этим данным относятся: положение начала системы координат по отношению к положению центра масс Земли (или относительно начала геоцентрической системы), развороты системы относительно осей XYZ геоцентрической системы и масштабный коэффициент. Заметим, что наборы этих параметров для конкретной системы, именуемые термином "Datum", используются практически во всех программных пакетах обработки спутниковых ГЛОНАСС/GPS наблюдений. В этих пакетах за некоторую идеальную (опорную) систему принимается система WGS-84.

В этих параметрах в данном программном пакете нет специальной необходимости, а их недостаточно грамотное использование может приводить к грубым ошибкам. Однако, они всегда могут быть введены пользователем в виде параметров преобразования координат.

Как правило, программный пакет ГЕОМАСТЕР передается пользователям с уже подготовленными ФГП для СК-42 и СК-95. В этом случае, а также когда пользователь уже сам сформировал соответствующие ФГП, они могут выбираться в качестве шаблона для формирования ФГП с аналогичными свойствами, но с другими названиями. При этом могут быть добавлены ранее отсутствующие свойства (например, указание на использование проекции). Но уже существующие свойства, за исключением названия ФГП отредактированы быть не могут. Уже созданные ФГП, а также любые другие элементы библиотеки ФГП, тоже не подлежат редактированию, а могут быть только удалены. При этом из библиотеки ФГП удаляются все другие элементы, которые в своем составе содержат ссылки на удаляемые. Одновременно и уже введенные, и используемые в пакете каталоги утрачивают необходимые ссылки на эти элементы и становятся частично или полностью непригодными для последующей работы с ними.

Ниже показан вид окон при использовании шаблона для формирования ФГП, аналогичного ФГП СК-95.

Использование шаблонов удобно для формирования новых ФГП, формально воспринимаемых программным пакетом как относящихся к разным системам координат с идентичными свойствами. При этом сохраняется возможность их взаимного преобразования при фактическом отсутствии параметров преобразования так, как будто соответствующие параметры имеют нулевые значения. Такая возможность удобна для работы с каталогами, содержащими различные (по любым известным пользователю причинам) данные, но формально (за исключением названия ФГП) относящихся к одной и той же системе координат. Например, для работы с координатами в СК-95, содержащимися в каталоге, и координатами в этой же системе, полученными в результате какого-либо преобразования из другой системы.

Все конкретные свойства систем координат и ФГП обязательно содержатся в каталогах координат создаваемых внутри пакета ГЕОМАСТЕР и экспортируемых из него в специальном формате. Эти же свойства должны обязательно содержаться и в каталогах, импортируемых в базу данных программного пакета из файла такого формата.

П.3.2. Формирование каталогов координат

Координаты пунктов могут быть импортированы в базу данных программного пакета только из специальных файлов с расширением ".ctg", которые в свою очередь создаются программными средствами геодезических банков данных ГГС.

Окно каталогов с открытым каталогом и развернутым меню, обеспечивающим работу с данными одного выделенного пункта этого каталога показано на следующем рисунке. Некоторые из этих функций могут быть выполнены для всех пунктов каталога.

В базу данных новые каталоги могут быть импортированы лишь в том случае, если в библиотеке фундаментальных параметров уже создана группа ФГП, соответствующая аналогичным свойствам каталога, уже указанным в импортируемом файле и занесенным в него во время его создания. В базу данных может быть добавлен новый первоначально пустой каталог. В этом случае программа предложит назначить ему ФГП из числа уже имеющихся в соответствующей библиотеке ФГП. В дальнейшем в любой каталог, в том числе и пустой, автоматической загрузкой могут быть добавлены новые данные при условии совпадения ФГП каталога и добавляемых координат пунктов. Проверка согласованности ФГП выполняется автоматически. Пункты в каталог могут быть добавлены и вручную. Возможно и ручное редактирование данных о пунктах, уже содержащихся в каталогах. Более детальное описание всех операций с каталогами можно найти в руководстве к программному пакету ГЕОМАСТЕР.

П.3.3. Построение цифровых моделей преобразования координат

Построение цифровых моделей начинается с создания проекта. В каждом проекте может быть построена только одна модель при любом возможном количестве ее последующих изменений и уточнений. Ниже на рис. ПЗ.7 показан процесс создания нового проекта.

На рис. ПЗ.8 показано главное окно нового проекта в процессе задания свойств модели и импорта в проект координат пунктов для данной территории в двух системах координат для построения цифровой модели. Задание свойств цифровой модели включает в частности указание территориальных границ создаваемой модели, глубины примыкающей территории и критериев отбраковки аномальных данных. Использование пунктов на примыкающей территории по всей границе необходимо, как для повышения надежности построения модели для определения координат граничных пунктов, так и для обеспечения согласованности модели, создаваемой на данной территории и моделей, которые будут строиться или уже построены для смежных или перекрывающихся участков сети.

Импорт координат в проект схематически показан на следующем рисунке. Импорт может осуществляться последовательно из нескольких каталогов для каждой из систем координат. При этом каталоги для импорта могут выбираться в произвольном порядке. Первоначально импортируемые данные помещаются в нижних таблицах, в левой или правой ее половине в зависимости от системы координат, к которой относятся импортируемые координаты. В процессе импорта выполняется отождествление данных, представленных в разных системах, но относящихся к одному и тому же пункту. Данные об отождествленных пунктах переносятся в верхнюю объединенную таблицу.

Отождествление выполняется по совпадению индексов пунктов, а если пункт имел более одного центра и у этих центров в каталогах заданы номера, то и по одновременному совпадению этих номеров. Неотождествленные пункты остаются в нижних таблицах. По команде "Модель/Обработать" начинается построение цифровой модели с одновременным анализом качества данных и отбраковкой. Результаты анализа в виде значений невязок для обеих плановых координат по всему списку общих пунктов выводятся в табличном виде в верхнюю часть окна программы и в виде протокола отбраковки в его нижней части.

Смысл получаемых невязок в данной задаче построения цифровых моделей преобразования координат требует дополнительного пояснения. Одно из свойств создаваемой цифровой модели состоит в том, что в так называемых узлах этой модели, совпадающих с положениями пунктов, использованных для ее построения, невязки при преобразовании отсутствуют. Иными словами полученная модель при ее использовании точно воспроизводит координаты пунктов в узлах, независимо от того, имеются в этих координатах какие-либо ошибки, каковы их свойства и источник происхождения.

Невязки, оцениваемые при построении модели, получаются как разность между двумя парами координат: координатами пункта в каталоге конечной системы координат и его координатами, полученными из исходной системы посредством координатного преобразования по модели, которая построена без использования этого пункта. Получаемая невязка показывает, с какой точностью возможна интерполяция поправок координат в районе данного пункта, если данные этого пункта для интерполяции не используется. Получаемая невязка может быть как следствием реальных деформаций сети в окрестностях данного пункта, которые не могут быть учтены без использования координат этого пункта для такой интерполяции, так и следствием каких либо других ошибок, не имеющих отношения собственно к деформациям сети. Например, просто ошибок ввода координат или отнесения координат не к тому центру. В первом случае отбраковка конкретного пункта приведет лишь к ухудшению качества интерполяции в его окрестностях. Более актуальны в таком случае меры по привлечению к построению модели дополнительных пунктов в данном районе. Во втором случае отбраковка пункта с аномальными значениями невязок реально необходима.

Таким образом процедура, именуемая отбраковкой, при построении модели не является таковой в ее общепринятом понимании. Это лишь инструмент, облегчающий оценку качества сравниваемых сетей и одновременно возможности создаваемой модели воспроизводить взаимные деформации сравниваемых сетей и учитывать их при преобразовании координат. Это указание пользователю на те пункты и участки сети, которые могут потребовать дополнительного анализа исходных материалов, а возможно и дополнительных данных для построения качественной модели.

При анализе необходимо принимать во внимание и то обстоятельство, что оцениваемые невязки получаются при использовании модели, в определенном смысле неполноценной вследствие исключения из нее гипотетически проблемного пункта. При этом остается, вообще говоря, неизвестным, каковы будут ошибки преобразования координат для пунктов, расположенных в пространстве между ним и ближайшими окружающими пунктами, если пункт с аномальной невязкой не будет отбракован. В некоторых сложных случаях только дополнительные пункты сгущения, не использовавшиеся при построении модели могут дать возможность такой оценки. Величины рассогласования координат для этих пунктов с учетом их территориального распределения могут дать основания для окончательного решения о необходимости исключения пункта или целесообразности его сохранения в модели (возможно и в совокупности с этими дополнительными пунктами или их частью).

Не исключается и вероятность того, что на части территории с аномально большими и быстро меняющимися деформациями ГГС задача преобразования координат в СК-95 невозможно будет решить иначе, чем переуравниванием прежних измерений или даже проведением полевых работ.

Положение пунктов с аномальными невязками могут быть просмотрены в совокупности с положениями остальных пунктов сети, как показано на рис. ПЗ.11.

Пункты с аномальными невязками могут быть показаны без учета их дифференциации по величинам невязок в широтах или долготах (первая часть приведенного выше рисунка), так и порознь для каждой из координат (нижняя часть рисунка). В этом случае разными цветами показываются пункты с невязками разных знаков, а такими же но более бледными цветами показываются пункты с невязками, не выходящие за предельные значения, но по абсолютной величине превышающие 2/3 предела. Предельно допустимые величины невязок определяются двумя параметрами, задаваемыми пользователем при подготовке к обработке. Требованием к ошибке координат смежных пунктов и требованием к доверительному интервалу этой оценки. Первый параметр может выбираться произвольно по желанию пользователя. Второй параметр может иметь три значения: 95%, 99% и 99.7%. Не останавливаясь на деталях выбора доверительного интервала, укажем, что выбор 95% интервала означает выбор более жесткого критерия отбраковки при одинаковых требованиях к точности взаимного положения смежных пунктов.

Непосредственно с плана сети можно просмотреть индивидуальную информацию о любом выбранном на плане пункте. Окно с соответствующей информацией показано в середине рис. ПЗ.11. Это окно может быть вызвано не только из окна плана сети, но и из таблицы невязок, показанной на предшествующем рисунке. В окне с индивидуальной информацией о пунктах можно, используя переключатели в его нижней части, исключить данный пункт из процесса построения модели, независимо от соответствующих ему величин невязок.

П.3.4. Сохранение и использование цифровой модели

После получения окончательного варианта цифровой модели последняя может быть сохранена в виде файла.

Для использования цифровой модели она должна быть внесена в раздел "Преобразование координат" библиотеки фундаментальных геодезических параметров.

По команде "Добавить" открывается окно, показанное на рис. ПЗ.14, в котором нужно указать название модели; из числа доступных систем выбрать названия исходной и конечной систем, для которых строилась модель; тип преобразования (цифровая модель); комментарий (рекомендуется) и в области "файлы модели" по команде "добавить" указать путь к файлу с данной моделью на диске. После этого по команде "Сохранить" соответствующая модель регистрируется в библиотеке ФГП и доступна для использования.

Для выполнения координатного преобразования необходимо в библиотеке каталогов открыть каталог пунктов на соответствующей территории, координаты которых заданы в исходной системе и вызвать команду "Преобразовать".

По команде "Преобразовать" вызывается окно назначения режимов преобразования координат.

В окне преобразования координат (рис. ПЗ.16) достаточно указать имя каталога, в который должны быть помещены преобразованные координаты, название системы ФГП, в которую должны бать преобразованы координаты пунктов открытого каталога. После этого из всех преобразований, доступных для данной пары систем координат, необходимо выбрать нужное координатное преобразование и дать команду "Выполнить". После преобразования новый полученный каталог можно сохранить в базе данных в желаемом месте под ранее выбранным именем. В любое время каталоги могут быть переименованы без нарушения каких-либо связей, свойств или функций каталога.