Задача высотного обеспечения гидрологических постов

Геодезическое обеспечение является неотъемлемой частью технологии инженерных, изыскательских и исследовательских работ широкого круга производственных отраслей.

В настоящее время для выполнения геодезического обеспечения всё чаще используются приемники глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), постепенно вытесняющие методы классической геодезии или, где это невозможно в силу неподходящих условий выполнения спутниковых измерений, частично внедряющиеся в комплекс общих геодезических работ. Не менее остро в контексте данной проблемы стоит вопрос импортозамещения программно-аппаратной базы в сфере ГНСС, особенно для выполнения высокоточной съемки.

В данной статье рассмотрены исследования, проводившиеся в 2019 году по вопросам внедрения ГНСС-технологий отечественного производства в отрасль гидрологии, в частности для выполнения высотного обеспечения гидрологических постов. В исследовании принимали участие сотрудники Государственного гидрологического института и работники АО "Российский институт радионавигации и времени", выпускающего отечественную ГНСС-аппаратуру и ПО.

Гидрологические посты - пункты стационарных гидрологических наблюдений, прикрепленные к гидрологическим станциям, на которых производят наблюдения за уровнем воды, продольными уклонами водной поверхности, температурой воды и пр. Их организация, оборудование и эксплуатация выполняются в соответствии с рекомендациями Наставления гидрометеорологическим станциям и постам, выпуск 6, часть 1 [1].

Для мониторинга высотного положения уровнемерных устройств на участках гидрологических постов устанавливают основные и контрольные (рабочие) реперы, рисунок 1. При их проектировании руководствуются следующими основными требованиями:
- гидрологические посты оборудуют двумя реперами - основным и контрольным;
- основной репер служит для проверки положения контрольного репера и для закрепления нуля поста.

В качестве основного репера поста может быть использован репер государственной нивелирной сети, находящийся не далее 3 км от гидрологического поста.

На рисунке 1 используются следующие термины [1]:
- отметка нуля поста - условно принятая на данном посту отметка постоянной горизонтальной плоскости, расположенной ниже самого низкого уровня воды, к которой для сравнимости приводят все измеренные значения высоты уровня.
- приводка сваи (рейки поста) - превышение оголовка сваи или нулевого деления рейки над принятым нулем поста, выраженное в сантиметрах.

Привязка реперов к государственной геодезической сети выполняется соответствующими специалистами станций или сторонними организациями по договору с Управлением гидрометеорологической службы (УГМС) в зависимости от длины хода.

Привязку основного репера следует производить по двум реперам государственной сети нивелирным ходом III (ход до 50 км) или IV (более 50 км) класса от одного репера к другому через основной репер гидрологического поста. В исключительных случаях допускается привязка к одному реперу государственной сети замкнутым ходом при нивелировании IV класса [1].

Отдельной принципиально важной и сложной задачей является определение высотного положения гидрологических постов и постовых уровнемерных устройств (рейки, сваи и пр.) с привязкой к Государственной высотной основе. Данные работы должны выполняться с точностью, соответствующей требованиям IV класса нивелирования, то есть со среднеквадратической погрешностью (СКП) не грубее 3 см [3] и повторяться не реже раза в 1-2 года [1].

Использование ГНСС отечественного производства для привязки гидрологических постов

Выполнение мониторинга высотного положения элементов уровенных постов методами классической геодезии сопряжено с большим объемом полевых работ и необходимостью обеспечения видимости между пунктами измерений (как следствие, вырубками визирных просек).

Альтернативой данному методу является применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [3 - 6], позволяющее значительно снизить объемы работ и не требующее ведения ходов с прямой видимостью между пунктами измерений.

Применение ГНСС-технологий для высотного позиционирования (спутниковое нивелирование) сопряжено с рядом сложностей, в силу применения разных поверхностей отсчета. В связи с этим, применение данной технологии для высотного обеспечения гидрологии долгое время считалось недостаточно точным (без методических дополнений) [7 - 9].

Вместе с тем, в последние годы всё чаще появляются публикации, свидетельствующие о повышении точности и надежности высотных измерений спутниковыми методами на локальных площадях, а иногда и на территориях целых областей РФ и стран Европы [10 - 16].

В указанных публикациях прямо или косвенно утверждается о возможности обеспечить нивелирование III-IV класса спутниковыми методами, в чем не последнюю роль играет применение моделей геоида [3 - 5, 17].

Наибольшее применение в современном программном обеспечении (ПО) для обработки спутниковых измерений имеют глобальные модели геоидов сверхвысокого разрешения, такие как EGM2008, EIGEN-6С4, ГАО2012 и другие. Как правило, глобальная точность таких моделей находится на уровне 10-20 см [17 - 22], однако их применение при позиционировании относительным методом снижает погрешность их применения до первых сантиметров и точнее за счет разностного подхода.

Таким образом, было принято решение выполнить практические исследования данной технологии с применением отечественной ГНСС-аппаратуры "Изыскание" производства АО "РИРВ". Характеристики аппаратуры приведены в таблице 1, а её внешний вид - на рисунке 2.

Таблица 1 - Характеристики ГНСС-аппаратуры "Изыскание"

Для исследований также применялись различные модели геоида (отечественная ГАО 2012 и зарубежные EGM08, EIGEN-6С4 и GECO), взятые с сайта Международного центра гравитационных моделей Земли ICGEM [22].

Проведение экспериментальных работ

Работы выполнялись на территории Новгородской области (Валдайский и Демянский районы). Пункты измерений - реперы с известными высотами (пункты Государственной геодезической сети II-III класса нивелирования) располагались на максимальном удалении 70 км. В связи с этим, было выполнено две расстановки базовых станций для обеспечения базовых линий в пределах 20-25 км.

Для некоторых реперов не имелось предварительной информации ни об их сохранности, ни об условиях их расположения, поэтому выполнение работ совмещалось с рекогносцировкой пунктов.

Базовые станции были развернуты на гидрологических постах, где им обеспечивалось постоянное питание и фиксированное стационарное расположение. На рисунке 3 приведены фотографии установки и настройки базовой станции.

Привязка базовых станций выполнялась от пунктов IGS [23] в окрестностях городов: Санкт-Петербург (SVTL), Рига (RIGA), Екатеринбург (ARTU) и Москвы (MDVO). Измерения на высотных реперах велось в режиме RTK.

В процессе исследований из 14 намеченных пунктов удалось выполнить измерения на семи. Шесть пунктов оказались утрачены физически, один не удалось найти из-за растительности и отсутствия опознавательных знаков (сторожков, окопки, пирамиды). Из найденных пунктов не менее трех вызывали сомнения в их пригодности для измерений.

Например, поверх пункта "Крестовая" была построена охотничья вышка, рисунок 4. Такое состояние пункта вызывает сомнения в актуальности его высотной отметки. Кроме того, в силу непосредственной близости препятствия в виде указанного сооружения, измерения производились на расстоянии от пункта непосредственно с дальнейшим переносом отметки посредством нивелирного хода.

Утраченные пункты, как правило, идентифицировались по следам окопки или остовам тригопунктов.

Наибольшее сомнение в актуальности высотных отметок и их надежности (не смотря на номинальную сохранность), вызывали реперы, расположенные на вертикальных трубах и сторожках и рельсах, так как некоторые из них имели заметный крен, рисунок 5.

Некоторые пункты оказывались под слоем грунта, вследствие чего потребовалась раскопка, рисунок 6.

Важно также отметить, что большая часть отметок, выданная Росреестром, была датирована в 1970-ми годами, и, очевидно, могла устареть.

Итоговая таблица 2 показывает состояние найденных пунктов. Пункты, на которых были выполнены измерения, образовали сеть (примерно 70 x 30 км), показанную на рисунке 7.

Таблица 2 - Сохранность и надежность исследуемых реперов

Полученные результаты в виде серий измерений координат и высот были усреднены по сеансам и сравнены как между приемниками, так и с известными отметками реперов.

Полученные аномалии должны были соответствовать с точностью 10-20 см моделям геоидов, имеющимся в широком доступе - EGM2008, GECO, EIGEN-6C4 и ГАО2012.

Данные модели были загружены с сервиса [22] для локальных участков (Новгородская область). Узлы регулярных сеток были интерполированы до 1'. Характеристики исследуемых моделей приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Исследуемые модели геоида [22]

Для получения аномалий геоида в точках нахождения реперов использовалась программа собственной разработки GeoCalc. Интерполяция между узлами сеток 1'x1' выполнялась линейно.

Результаты эксперимента

Полученные результаты измерений высот на реперах и вычисленные аномалии квазигеоида приведены в таблице 4. Пункт 4070 был взят за нуль для относительных сравнений, как наиболее сохранный.

Таблица 4 - Высоты, измеренные аппаратурой "Изыскание" и аномалии, полученные по ним

Для каждого пункта была получена величина аномалии ζ^g геоида/квазигеоида и получена ее разность с аномалией на п. 4070 (ζ^g отн), таблица 5.

Таблица 5 - Аномалии высот геоида для исследуемых моделей

Важно отметить, что различия между моделями высоких степеней (EGM2008, GECO, EIGEN-6C4) на исследуемых реперах - не более 1 см.

Аномалии высот моделей геоидов ζ^g были сравнены с полученными из измерений ζ^y (см. табл. 4, 5), таблица 6.

Таблица 6 - Разности абсолютных аномалий (ζ^y - ζ^g), в метрах

Для устранения систематического сдвига, с учетом того, что при ГНСС-измерениях на гидрологических постах будет использоваться относительный метод позиционирования, было выполнено сравнение относительных аномалий (нулевым пунктом взят п. 4070), таблица 7.

Таблица 7 - Разности относительно п. 4070 (ζ^y отн - ζ^g отн), в метрах

Для аппаратуры "Изыскание" разности с моделями EGM2008, GECO и EIGEN-6C4 находились на уровне до 7 сантиметров.

Выводы по эксперименту

По экспериментальным работам были сделаны следующие выводы:

- Существует проблема сохранности реперов ГГС. Существующая высотная основа, представленная высотными реперами с известными отметками в Балтийской системе высот 1977 года (БСВ-77) находится в неудовлетворительном состоянии. Часть пунктов утрачена физически, часть требует ремонта (удаление грунта, обновление окопки, повторного заложения центров) или полного обновления. Сохранившиеся пункты также требуют повторного определения отметок на них.

- ГНСС-технологии для высотного обеспечения гидрологических постов применимы не повсеместно. Условия, в которых размещаются высотные реперы, иногда являются малопригодными для спутниковых измерений в силу присутствия объектов (деревьев, сооружений), препятствующих приему спутниковых сигналов и являющиеся источником их переотражения (многолучевости). Без переноса опорных и контрольных реперов данное обстоятельство не позволяет уйти от геометрического нивелирования полностью.

- Модель ГАО2012, имеющаяся в открытом доступе, имеет низкую точность и детальность и не может применяться для нивелирования III-IV класса. Порядок разложения гармоник ГАО2012 составлял 360 против 2190 для других исследуемых моделей. Как следствие, на исследуемой территории величины высотных аномалий ГАО2012 отличались от остальных моделей на несколько см (на отдельных пунктах - до 8 см).

- Рассмотренные модели геоида сверхвысокого разрешения EGM2008, GECO, EIGEN-6C4 имели пренебрежительно малые различия. Для пунктов, на которых проводились измерения на исследуемой территории (30 ? 70 км), модели аномалии геоида отличались менее чем на 1 см. Таким образом, использование EGM2008, входящей в состав большинства современных программ, обосновано и допустимо.

- При прямом пересчете высот с использованием моделей геоидов, имеются систематически отклонения до 0,8 м. То есть, как следствие, измерения должны проводиться только относительным методом. Однако это также может быть последствием как некорректно полученной высоты базовой станции в пос. Яжелбицы, так и результатом несоответствия уровенных поверхностей моделей геоида Балтийской системе высот.

- Относительные разности аномалий, выраженные относительно одного из пунктов измерений для аппаратуры изыскания находились в среднем на уровне 4-6 сантиметров (для EGM08, GECO и EIGEN-6C4). Учитывая ненадежность известных отметок для большей части исследуемых пунктов, можно утверждать о достижимости точности IV класса нивелирования, однако для более уверенных результатов необходимо повторение эксперимента с более надежными исходными данными.

- Альтернативные методы измерений (такие как Precise Point Positioning) могут вызвать проявление данной систематической погрешности. Данное утверждение, однако, требует дополнительных исследований.

Таким образом, существующая ситуация свидетельствует о том, что сама аппаратура и методы измерений с использованием моделей геоидов высокого порядка могут обеспечить высокоточное нивелирование III-IV класса, однако при наличии надежных исходных данных. Для получения качественных исходных материалов очевидно должна быть выполнена частичная или полная реконструкция государственной высотной сети, по крайней мере, для исследуемой территории.

Важно отметить, что указанные выводы могут быть распространены и на другие отрасли народного хозяйства, требующие высокоточного высотного обеспечения.

Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам, принимавшим участие в экспериментальных исследованиях.

Библиографический список

1. Наставление гидрологическим станциям и постам. Вып. 6, ч. 1. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 384 с.
2. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. ГКИНП (ГНТА)-03-010-03. М., Картгеоцентр-Геодезиздат, 2003.
3. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст] В 2 т. Т.-1. Монография/ К. М. Антонович; - М.: Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
4. Xu G. GPS Theory, algorithms and applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2003. 315 p.
5. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more [Текст] / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle - Wien, New-York: Springer. - 2008. - 516 p. - Англ.
6. Leick, A. GPS Satellite Surveying [Текст] / A. Leick. - New York: A Willey-Interscience Publication. - 1995. - 560 p. - Англ.
7. Шануров Г. А. Определение высот уровенных постов спутниковым методом [Текст] Г. А. Шануров, В. З. Остроумов, В. И. Епишин / Геопрофи. - 2004. - № 4. - С. 11-17.
8. Остроумов, Л.В Региональная модель квазигеоида, предназначенная для перехода к Балтийской системе высот при спутниковой привязке уровнемерной сети росгидромета, расположенной на акватории финского залива [Текст] Остроумов Л.В., Остроумов В.З., Шануров Г.А. // Труды Государственного океанографического института. 2011. № 213. С. 193-204.
9. Остроумов, Л. В. Определение высот уровенных постов по данным ГНСС и модели квазигеоида в Азово-Черноморском регионе [Текст] Остроумов Л. В., Остроумов В. З. // Геопрофи, 2013, № 3, С. 57-60.
10. Непоклонов, В. Б. Об использовании новых моделей гравитационного поля Земли в автоматизированных технологиях изысканий и проектирования // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2009. - № 3 (34). - c. 28 - 35.
11. Гиенко, Е. Г. Исследование точности получения нормальных высот и уклонений отвесной линии на территории Новосибирской области с помощью глобальной модели геоида EGM2008 // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 181-186.
12. Обиденко, В.И. Разработка методики получения нормальных высот на территории новосибирской области с использованием глобальной модели геоида EGM2008 [Текст] В. И. Обиденко, О. А. Опритова, А. П. Решетов // Вестник СГУГиТ. - 2016. - вып. 1 (33). - С. 14 - 25.
13. Королевич, В.В. Использование модели гравитационного поля земли EGM2008 для определения нормальных высот [Текст] // журн. Инженерные изыскания.- 2013.- №12.- С. 26-31.
14. Шендрик, Н.К. Формирование локальной цифровой модели высот геоида на территорию Новосибирской области [Текст] // Вестник СГУГиТ, 2016. - № 4 (36). - С. 66-72.
15. Hirt, C. Assessment of EGM2008 over Germany using accurate quasigeoid heights from vertical deflections, GCG05 and GPS/levelling. [Text] Zeitschrift f?r Geod?sie, Geoinformation und Landmanagement (zfv). - 2011.- 136(3). - P. 138-149. - Англ.
16. ?yszkowicz A. Assessment of accuracy of EGM08 model over the area of Poland [Text] // Techn. Sc.- 2009.- No 12.- P. 118-134. - Англ.
17. Дмитренко, А.П. Современные трансформации определения геоида: монография. - Кривой Рог: Минерал, 2012. - 218 с.
18. Серапинас, Б. Б. Геодезические основы карт [Текст] М.: 2001. - 132 с.
19. Pavlis N.K., Holmes S.A., Kenyon S.C., Factor J.K. An Earth Gravitational Model to Degree 2160: EGM2008/EGU General Assembly 2008. Vienna, Austria, April 13-18, 2008. - Англ.
20. Горобец, В.П. Опыт Российской Федерации по установлению государственной геодезической системы координат 2011 года [Текст] В. П. Горобец, Г. Н. Ефимов, И. А. Столяров // Геодезия, картография, кадастр, ГИС - проблемы и перспективы развития : материалы междунар. науч.-практ. конф., Новополоцк, 9-10 июня 2016 г. : в 2 ч. / М-во образования РБ, Полоцкий гос. ун-т ; редкол.: Г. А. Шароглазова [и др.]. - Новополоцк : ПГУ, 2016. - Ч. 1. - C. 48-65.
21. Непоклонов, В. Б. Современное состояние цифровых моделей геоида в континентальных районах [Текст] В. Б. Непоклонов, М. В. Абакушкина // Геодезия, картография, кадастр, ГИС - проблемы и перспективы развития : материалы междунар. науч.-практ. конф., Новополоцк, 9-10 июня 2016 г. : в 2 ч. / М-во образования РБ, Полоцкий гос. ун-т ; редкол.: Г. А. Шароглазова [и др.]. - Новополоцк : ПГУ, 2016. - Ч. 1. - C. 3-11.
22. ICGEM International Center for Global Earth Models [Electronic resource] Режим доступа: http://icgem.gfz-potsdam.de - Англ.
23. IGS Network / International GNSS Service [Electonic resource] Режим доступа: http://www.igs.org/network - Англ.