Разработка и исследование методов применения персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.26, кандидат технических наук Боровик, Федор Валерьевич

• Боровик, Федор Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боровик, Федор Валерьевич

Введение фЬ

Глава 1. Анализ методов и точности определения местоположения объектов местности с применением персональных GPS-навигаторов

1.1. GPS-навигаторы и их назначение

1.2. Принцип работы

1.3. Классификация и функциональные особенности персональных GPS- навигаторов фирм Garmin и Magellan

1.4. Особенности определения местоположения

1.5. Применение GPS-навигаторов в составе навигационных систем при решении некоторых отраслевых задач

1.6. Предложение по разработке землеустроительной навигационно-информационной системы

1.7. Анализ зарубежных данных по вопросам точности

Щ} определения местоположения навигационными системами на базе GPS-навигаторов

1.8. О точности местоопределения персональными GPS-навигаторами в дифференциальном режиме

Выводы по главе

Глава 2. Научно-методическая основа и программное обеспечение для проведения экспериментальных исследований

2.1 Постановка вопроса

2.2 Исходные данные

2.3 Методика проведения экспериментальных исследований

2.4 Научно-методическая основа и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных ф Выводы по главе

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований местоопределения с применением персональных GPS-навигаторов

3.1 Результаты экспериментальных исследований точности определения прямоугольных пространственных координат

3.2 Нахождение закона распределения погрешностей пространственных прямоугольных абсцисс и ординат

3.3 Распределение случайных погрешностей положения точек

3.4 Вычисление автокорреляционных функций погрешностей координат

Выводы по главе

Глава 4. Применение персональных GPS-навигаторов для решения задач землеустройства

4.1 Общие сведения

4.2 Методика выполнения измерений (МВИ) землеустроительной навигационно-информационной системой

4.3 Методика выполнения измерений персональными GPS-навигаторами

4.4 Применение МВИ при межевании объектов землеустройства и корректировке планово-картографического материала

4.5 Технологические особенности работ при перенесении на местность проектов землеустройства

4.6 Технологические особенности восстановления на местности утраченных межевых знаков

4.7 Расчеты точности и способы работ при выносе в натуру и съемке границ почвенных разновидностей

4.8 Расчет экономической эффективности МВИ с применением персональных GPS-навигаторов

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов применения персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства»

Актуальность темы исследований.

В последнее время в Российской Федерации был принят рад основополагающих федеральных законов, регулирующих земельные отношения. Среди них: Земельный кодекс РФ, «О государственном земельном кадастре», «О землеустройстве», «О разграничении государственных земель», «О государственной регистрации прав на недвижимое имущество и сделок с ним», «Об обороте земель сельскохозяйственного назначения», а также ряд постановлений Правительства Российской Федерации и законов субъектов РФ. Современные земельные преобразования в России, заложившие основы нового земельного строя, требуют проведения землеустройства на всей территории страны и выполнения многих видов работ, в том числе: межевания объектов землеустройства и восстановления их границ; выноса в натуру проектов землеустройства и др., а также проведения почвенных и других обследований, изысканий и др. В связи с острой необходимостью выдачи свидетельств на право собственности на каждый земельный участок возникла актуальная задача по разработке эффективных технологий производства землеустроительных работ, которые привели бы к снижению стоимости и сокращению сроков их выполнения.1

Одними из важнейших составляющих землеустроительных работ являются методики выполнения измерений (МВИ), результаты которых обеспечивают землеустроительную документацию необходимыми достоверными пространственными данными, служащими основой для ведения государственного земельного кадастра, государственного кадастра объектов недвижимости и других кадастров. Решение разнообразных задач землеустройства говорит о необходимости применения соответствующих МВИ с целью определения, с различной точностью, местоположения поворотных точек границы объекта землеустройства, характерных точек местности и недвижимости, а также вы

1 А.В. Гордеев Совершенствование системы управления земельными ресурсами РФ // Землеустроительная наука и образование в России в начале третьего тысячелетия. -М.:ГУЗ, 2004. -с. 13. несения в натуру проектных точек. Например, согласно действующих нормативно-технических документов среднеквадратическое отклонение положения межевого знака может изменяться в достаточно большом диапазоне значений: от нескольких сантиметров до 2,5 и более метров. Поэтому важнейшими и актуальными являются научные разработки по созданию таких методик выполнения измерений, которые при наименьших затратах денежных средств и трудовых ресурсов, в более короткие временные сроки, позволили бы получать пространственные данные, удовлетворяющие современным нормативно-техническим требованиям составления землеустроительной документации.

В настоящее время в московском регионе создана первая спутниковая система межевания земель (Российско-Швейцарский кадастровый проект «Москва»), также создается аналогичная система для межевания земель Северо-Западного региона РФ. Однако создание таких систем требует значительных материальных вложений. Наряду с этим, в последнее время при решении прикладных задач информационных технологий в сельском и лесном хозяйстве, при изучении природных ресурсов и др. находят достаточно широкое применение, как в нашей стране, так и за рубежом портативные и сравнительно дешевые навигационные GPS-приемники, в том числе и персональные навигаторы различных фирм-изготовителей. Они позволяют автономно, в режиме реального времени оперативно определять, при минимальных материальных затратах, свое местоположение, скорость и направление движения, вводить необходимую при работе навигационную информацию и др. Неслучайно, что вопросам по исследованию точности местоопределения с помощью персональных GPS-навигаторов, а также использованию их в практической деятельности специалистов различных отраслей, во многих странах, например, США, Англии, Австралии и др, уделяется достаточно серьезное внимание.

Содержание диссертационной работы посвящено разработке научно-обоснованных МВИ на базе персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства с целью создания наиболее эффективных технологий выполнения соответствующих видов работ в современных условиях земельных преобразований, проводимых в нашей стране. Этим определяется актуальность темы диссертации.

Цель исследований. Цель исследований заключается в разработке научно-обоснованных и наиболее экономичных методов местоопределения при проведении землеустройства, с учетом современных нормативно-технических требований к выполнению землеустроительных работ, на базе персональных GPS-навигаторов.

Исходные материалы. Исходными материалами для диссертационной работы служили федеральные законы, относящиеся к землеустройству и государственному земельному кадастру; нормативно-технические документы в области проведения землеустроительных и др. работ; государственные стандарты в области навигационных систем и методик выполнения измерений, а также обширные статистические данные (более 50 тыс.), полученные автором при проведении экспериментальных исследований точности работы персональных GPS-навигаторов.

Методы исследований. Монографический - аналитическое обобщение и систематизация информации по литературным и другим источникам, в частности, сети INTERNET; статистический - разработка рабочих программ проведения экспериментов и их математической обработки с привлечением методов математической статистики, теории вероятностей и соответствующего программного обеспечения (ПО); расчетный - обоснование выбора научно-обоснованных методик выполнения измерений на базе персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства.

Научная новизна. Заключается в постановке, проведении и полученных результатах по исследованию точности определения местоположения точек местности землеустроительной навигационно-информационной системой и персональными GPS-навигаторами; разработанных методиках выполнения измерений на базе персональных GPS-навигаторов для решения профессиональных землеустроительных задач; методах обоснования применения соответствующих МВИ при проведении землеустроительных работ. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты обобщения и систематизации информации, а также анализа точности определения местоположения с применением персональных GPS-навигаторов.

2. Состав и назначение землеустроительной навигационно-информационной системы (ЗНИС).

3. Программы проведения экспериментальных исследований и результаты анализа математической обработки экспериментальных данных.

4. Разработанные методики выполнения измерений при проведении землеустройства на базе персональных GPS-навигаторов.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные в диссертации методики выполнения измерений на базе персональных GPS-навигаторов позволяют при проведении землеустройства применить наиболее эффективные технологии выполнения соответствующих видов работ, снизить стоимость и сроки их выполнения. Апробация научных исследований.

Результаты исследований, выполненных автором, докладывались на конференции "Итоги научных исследований сотрудников ГУЗа" в 2001 г; на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов "Молодые ученые - землеустроительной науке", посвященной 225-летию ГУЗа в 2004г. Также на 8-й Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы ввода и обновления пространственных данных" в РАГС, 2003 г. Публикации по теме диссертации.

Содержание диссертации опубликовано в одной брошюре и трех научных статьях.

Реализация научных результатов. Осуществлена в ПКФ "Аграрный Инвестиционный Фонд" при корректировке землеустроительных планов в масштабе 1:5000. Наряду с этим, методика работы с персональными GPSнавигаторами внедрена в учебный процесс в ГУЗе при обучении студентов по дисциплине "Земельно-кадастровые геодезические работы". Структура диссертации и краткая аннотация ее разделов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и десяти приложений. Общий объем диссертации 168 стр., 39 рис., 34 табл., 10 приложений, библиографировано 83 литературных источника.

Заключение диссертации по теме «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель», Боровик, Федор Валерьевич

Выводы по главе 4.

В 4 главе диссертации основное внимание уделено вопросам непосредственного применения персональных GPS-навигаторов для решения различных задач землеустройства. На основе сказанного можно сделать следующие выводы.

1. Учитывая результаты исследований, выполненных в 3 главе диссертации, разработаны следующие методики выполнения измерений:

• "ЗНИС-методика" предназначается для определения координат точек земной поверхности в соответствующей картографической проекции с среднеквадратическим отклонением равным 1.4 м. Для этого используется предложенная в 1 главе диссертации землеустроительная навигаци-онно-информационная система, с помощью которой выполняется вычисление среднего значения координат определяемой точки в течение заданного интервала времени наблюдений. Эта система позволяет сохранять и обрабатывать всю полученную информацию в электронном виде.

• "PGPS-методика" предназначается для определения координат точек земной поверхности в соответствующей картографической проекции с среднеквадратическим отклонением равным 2.7 м в условиях хорошей видимости небосвода и 4.3 м в неблагоприятных условиях видимости небосвода. В качестве средства измерения используются только персональные GPS-навигаторы. Методика заключается в измерении координат определяемой точки несколькими приемами наблюдений и последующим вычисление среднего из них. При ее использовании результаты измерений и соответствующие вычисления выполняются в журнале наблюдений.

2. На основе анализа технических требований к межеванию объектов землеустройства и корректировке планово-картографического материала рекомендуется при межевании объектов землеустройства на землях лесного, водного, фондов запаса, а также при корректировке землеустроительных планов (карт) масштабов 1:5000 и мельче применять "PGPS-методику". Применяя "ЗНИС-методику" можно выполнять межевание на землях сельскохозяйственного и особого назначения, а также все вышеперечисленные работы.

3. Рассмотрены технологические особенности работ по проектированию и перенесению на местность проектов землеустройства. Предложено два варианта применения для этих целей персональных GPS-навигаторов:

• создание съемочного обоснования для перенесения проектов землеустройства на местность.

• непосредственно вынос проектов землеустройства на местность.

4. Для отыскания утраченных межевых знаков и пунктов ГГС рекомендуется использовать разработанную методику выноса на основе ЗНИС и георадаров или металлоискателей.

5. На основе анализа требований к крупномасштабным почвенным картам сделаны расчеты точности землеустроительных работ при выносе в натуру границ почвенных разновидностей. Рассмотрены технические требования к геодезическим работам при съемке почвенных разновидностей. Обобщая вышесказанное, сделан вывод о том, что для работ по съемке почвенных разновидностей в масштабах 1:10000 и мельче, а также выносу в натуру почвенных разновидностей со всеми градациями выраженности могут быть использованы методики на основе персональных GPS-навигаторов. Для съемки почвенных разновидностей в масштабе 1:5000, а также выноса в натуру почвенных разновидностей с площадью контуров менее 3 га должны быть использованы методики на основе ЗНИС. 6. На основе реальных съемочных работ по корректировке планов нефтепровода показана экономическая эффективность разработанной "ЗНИС-методики" по сравнению с традиционной технологией работ.

Заключение

В диссертационной работе изложено решение научно-технической задачи по разработке научно-обоснованных методик применения персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства, имеющей существенное значение для информационного обеспечения государственного земельного кадастра пространственными данными. На основании выполненных исследований, изложенных в диссертации, получены следующие результаты.

1. Сделана классификация персональных GPS-навигаторов в зависимости от их оснащенности, функциональных и других возможностей.

2. Исследован алгоритм, используемый для преобразования геодезических координат в плоские прямоугольные, встроенный во все модели GPS-навигаторов. Сделан вывод о том, что его применение при преобразовании координат вносит дополнительную методическую погрешность в положение пункта земной поверхности, которая характеризуется величиной среднеквад-ратического отклонения, равного 2 м.

3. Разработана и предложена для использования при выполнении землеустроительных работ землеустроительная навигационно-информационная система (ЗНИС). Ее отличительная особенность заключается, во-первых, в том, что преобразование геодезических координат в плоские прямоугольные, осуществляется с использованием преобразования Гельмерта в соответствии с рекомендациями, изложенными в ГОСТе [11], во-вторых, координаты определяемой точки земной поверхности получаются в автоматическом режиме, как среднее из результатов наблюдений в фиксированном временном интервале. Наряду с этим, при работе с ЗНИС можно непосредственно использовать планово-картографические материалы.

4. Сделан анализ данных зарубежных исследований, относящихся к точности определения местоположения объектов местности с применением персональных GPS-навигаторов, выполненных в Австралии, Англии и США. На его основе были приведены количественные характеристики точности определения координат точек земной поверхности в различных условиях местности, а также сделан вывод о том, что за рубежом уделяется серьезное внимание к постановке и проведению исследований этих приемников, так как интерес специалистов к сфере практического применения GPS-навигаторов в различных областях науки и техники постоянно возрастает.

5. Разработана и обоснована программа проведения экспериментальных исследований. С целью планомерной ее реализации составлена блок-схема обработки экспериментальных данных, а также создано программное обеспечение в среде Microsoft Excel 2002 для математической обработки результатов экспериментальных данных на ЭВМ.

6. Спланированы и выполнены экспериментальные работы с целью определения количественных характеристик точности определения системой ЗНИС и GPS-приемником погрешностей пространственных прямоугольных координат в различных условиях местности. В результате математической обработки обширных экспериментальных данных (более 50 тыс.) с использованием программ ISW(Pocc^), Statistica (США) и созданного ПО были получены значения СКО координат и положения пункта, а также систематических погрешностей координат. При этом установлено, что систематические погрешности координат являются значимыми величинами и имеют переменный характер, изменяясь случайным образом в различные дни наблюдений.

7. Установлено, что случайные погрешности координат пункта имеют нормальное распределение при условии, что их значения получены наблюдением с дискретностью не менее 3 мин (GPS-навигатором) или усреднением опытных данных в этом интервале (ЗНИС).

8. Экспериментальным путем на основе построенных случайных функций погрешностей пространственных прямоугольных координат, с применением соответствующего ПО, были вычислены нормированные коэффициенты автокорреляции и построены корреляционные функции абсцисс и ординат. При этом, с учетом данных исследований, выполненных в США, коэффициенты автокорреляции погрешностей абсцисс и ординат в интервале спутниковых наблюдений от 10 до 20 минут были приняты равными между собой, т.е.

Рх=Р, - Ро

9. Разработаны научно-обоснованные методики выполнения измерений (МВИ) землеустроительной навигационно-информационной системой ("ЗНИС-методика") и персональными навигаторами ("PGPS-методика"), которые содержат необходимые данные для их практического применения, помещенные в разделах:

Назначение методики;

Условия выполнения измерений;

Метод измерений;

Операции при подготовке к выполнению измерений;

Полевые измерения;

Обработка результатов измерений.

10. Даны рекомендации по применению соответствующих МВИ при проведении землеустройства для выполнения следующих видов работ: межевания объектов землеустройства на землях сельскохозяйственного назначения, лесного, водного, фондов запаса и других землях; корректировки землеустроительных планов (карт) масштабов 1:5000 и мельче; выноса в натуру проектов землеустройства; отыскания утраченных межевых знаков; съемки почвенных разновидностей в масштабах 1:5000 и мельче, а также выноса в натуру границ почвенных разновидностей.

11. Показана экономическая эффективность применения разработанной "ЗНИС-методики".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боровик, Федор Валерьевич, 2004 год

1. Батраков Ю.Г. Геодезические сети специального назначения. М.: Кар-тогеоцентр - Геоиздат, 1998.

2. Батраков Ю.Г., Бирюков Д. А. Опыт поиска труднодоступных и утраченных пунктов с помощью кодовых приемников и металлоискателей / Сборник научных статей посвященный 225-летию ГУЗ. М.:2004.- с.59-61.

3. Базлов Ю.А., Герасимов А.П., Ефимов Г.Н., Насретдинов К.К. Параметры связи систем координат // Геодезия и картография, 1996, № 8, с.7-8.

4. Баденко В., Слинчук С. Геоинформационные технологии для точного земледелия. Опыт внедрения на Северо-западе России // ArcReview. -2004, №2(29).-с. 5-6.

5. Беликов. А.Б., А. С. Смирнов Исследование точности угловых измерений // Сборник научных трудов МИИЗ. Совершенствование технологий геодезических, фотограмметрических и картографических работ для сельского хозяйства. М.:1989. -с.88.

6. Боровик Ф.В. Результаты исследования точности спутниковых навигационных приемников / Сборник научных статей. Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра. -М.: ГУЗ, 2004. -с. 39-46.

7. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Изд-во стандартов, 1985.

8. Венцель Е.С. Теория вероятностей. -М.: -Наука, 1964.

9. Власкин Л.И., Сёмина Т.А. Уточнение локальных значений параметров перехода от WGS84 к системе координат 42 года. Материалы 8 -ой Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы ввода и обновления пространственных данных". -М.:РАГС, 2004.

10. Тмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1999.

11. Гост Р 51794-2001. Аппаратура радионавигационная глобальной навигационной спутниковой системы и глобальной системы позиционирования. Системы координат. Методы преобразования координат определяемых точек. М., 2002. - Госстандарт России.

12. Гост Р 8.563-96. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики выполнения измерений. М., 2002. - Госстандарт России.

13. Гост Р ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения. М., 2002. - Госстандарт России.

14. Инструкция по межеванию земель.-М.:1996.-31с.

15. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. ГКИНП (ОНТА)-02-262-02. М., ЦНИИИГАиК, 2002.

16. Кемниц Ю.В. Математическая обработка зависимых результатов измерений. -М.: Недра, 1970.

17. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. -М: -Колос, 1996.

18. Маслов А.В. О точности нанесения почвенных контуров на планы при почвенных обследованиях для землеустройства // Почвоведение. 1995. №1, 78-82с.

19. Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. Геодезия. -М.: Недра, 1993.

20. Маслов А.В., Юнусов А.Г., Горохов Г.И. Геодезические работы при землеустройстве. -М.: Недра, 1990.

21. Маслов А.В., Юнусов А.Г. Влияние корреляционной связи погрешностей положения точек контура на погрешность его площади // Научные труды МИИЗ. Создание топографической основы для целей землеустройства.1. М.:1984.-с. 54-61.

22. МаликовМ.Ф. Введение в метрологию. . -М.: Стандартгиз, 1965.

23. Методика и программы преобразования геодезических координат между системами WGS-84 и 1942г // Федеральная служба геодезии и картографии России. М.: ЦНИИГАиК, МАГП, 1996.

24. Неумывакин Ю.К., Перский М.И. Геодезическое обеспечение землеустроительных и кадастровых работ. Справочное пособие. М.: Карттео-центр - Геоиздат, 1996

25. Неумывакин Ю.К., Перский М.И. Автоматизированные методы геодезических измерений в землеустройстве. М.: Недра, 1990.

26. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измере

27. ЪА.Нурутдинов КС. Создание геодезических сетей с использованием GPS. -http://www.zemlya.zp.ua/articles/index.html.

28. Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных карт землепользований. -М.: -Колос, 1973.- 95с.

29. Рекомендации по межеванию объектов землеустройства. Утверждены руководителем Росземкадастра 17.02.03., 18 с.

30. Рекомендации по стандартизации. II Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть I. Критерии типа хи-квадрат М., 2002. - Госстандарт России.

31. Рекомендации по стандартизации. II Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть П.Непараметрические критерии М., 2002. - Госстандарт России

32. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1992.

33. Серапинас Б.Б. Основы спутникого позиционирования. Второе издание -МГУ им. М.В. Ломоносова. 1999.

34. Семенов А А. Совершенствование методов цифрового моделирования участков городской застройки. Дисс. к-татехнич. наук.- М.:2000. -119с.

35. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. Эко-трендз. -М.:2000.

36. A3.Сорокина Н.П. Вопросы и методика составления детальных почвенных карт и их использование в опытном деле. Дисс. к-та технич. наук.-М.:1975.-145 с.

37. Сорокина Н.П. Об информативности и точности почвенных карт. Методические рекомендации. 1998.

38. Справочное пособие землеустроителя / Сост. В.Н. Иващенко. Изд-во Воронежского университета, 1995 -296 с.

39. Федеральный закон "О землеустройстве". Библиотечка "Российской газеты", выпуск 14 .-М. :2001.-16-22с.

40. Федеральный закон "О земельном кадастре". Библиотечка "Российскойгазеты", выпуск 14.-М.:2001.-33-40 с. 48.Хаимов З.С. Статистическое исследование геодезических сетей. М.:

41. Картгеоцентр Геоиздат, 2002, 371 с. 49 .Ходасевич Г.Б. Обработка экспериментальных данных на ЭВМ. Часть 1. Обработка одномерных данных. - СПб.: СПбГУТ, 2002.

42. Ходасевич Г.Б. Обработка экспериментальных данных на ЭВМ. Часть 2. Обработка многомерных данных. СПб.: СПбГУТ, 2002.

43. ArcNews. Spring 2003. A Montana Rancher Knows GIS Makes a Difference.

44. ArcNews. Summer 2003. Anthropologists research Venezuela jungle.

45. Cochran W.G. Some Methods of Strengthening the Common x,2 Tests // Biometrics, 1954.

46. ICSM (2002), "Geocentric Datum of Australia Technical Manual Version 2.2".

47. NIMA, (2001), "DoD World Geodetic System 1984, Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems.

48. Mann H.B., Wald A. On the choice of the number of class intervals in the application of the chi square test // Ann. Math. Stat., 1942.

49. Seppelin. Т. O.; The Department of Defense World Geodetic System 1972; Technical Paper; Headquarters, Defense Mapping Agency; Washington, DC; May 1974