Mérnöki létesítmények geodéziája Mérnöki létesítményekhez kapcsolódó geodéziai, térinformatikai tevékenységek összefoglalása Tervezés, kivitelezés és üzemeltetés A geodézia a mérnöki létesítmények tervezése, kivitelezése és üzemeltetése során is megjelenik. Ezen területeket a teljesség igénye nélkül az alábbiakban foglaljuk össze, egy kicsit az informatikához kapcsolódó részekre jobban koncentrálva: Tervezés Digitális térképi alap tanulmánytervhez Telepítés tervezés, létesítménynek megfelelő terület megkeresése, több kritériumos térinformatikai elemzési feladat Hatástanulmány készítése, választás a tervvariánsok között (modellezés) Földhivatali adatgyűjtés, kisajátítás, művelés alól kivonás, stb. Digitális tervezési térkép készítése, felmérési alapponthálózat meghatározása,digitális domborzatmodell előállítása Látványtervek készítése a tervezett objektumról Kivitelezés Kitűzési alapponthálózat készítése, kitűzés, építésirányítás, építés közbeni ellenőrzés Megvalósulási térkép készítés Térrajz, épületfeltüntetési vázrajz készítés (ingatlan-nyilvántartás) Üzemeltetés Mozgásvizsgálat, deformációvizsgálat Üzemeltetés térinformatikai támogatással, szakértői rendszer, felügyeleti rendszer A felsorolt területek közül többel önálló tantárgy foglalkozik, ezeket ebben a tárgyban részletesen nem tárgyaljuk. Építésügyi eljárások Építésirányítás, mozgásvizsgálatok Földalatti mérések Közművek és nyilvántartásuk Mérnökgeodézia Nagyméretarányú digitális térképezés Szerkezetek geodéziája mérőgyakorlat A mérnöki gyakorlatban használt térkép típusok és tartalmuk Magyarországon számos olyan térkép létezik, melyek előállítását, karbantartását törvények, utasítások szabályozzák. Ezek általában nem elégítik ki közvetlenül a mérnöki tervezési igényeket, de mindegyik tartalma hasznos lehet a mérnöki munka során.
Topográfiai térkép Az egész ország területére rendelkezésre áll, 1:10 000, 1:25 000, 1:100 000 és 1:200 000 méretarányokban, Tartalmazza a közutakat, vasutakat, vízrajzot, művelési ágakat, építményeket, domborzatot, névrajzot, alappontokat, stb. Az 1:10 000, az 1:100 000 és 1:200 000 térképszelvények georeferált, szkennelt változatai megvásárolhatók a FÖMI-ben. Az 1:50 000 topográfiai térképek digitális vektoros változat (DTA- 50) is rendelkezésre áll és megvásárolható. Az 1:10 000 méretarányú szelvények szintvonalainak digitális vektoros változata is elérhető. Vezetésért az állami földmérés felelős. Földmérési alaptérkép Szintén az ország teljes területére rendelkezésre álló térképmű, mely 1:1000, 1:2000 illetve 1:4000 méretarányokban ábrázolják jogi birtokhatárokat, fekvéshatárokat, település határokat, megyehatárokat és az országhatárt, az állandó építményeket, a geodéziai alappontokat és névrajzot. 2007 végéig a teljes országra elkészül a szelvények digitalizált vektoros változata illetve részleges vagy teljes újfelmérés alapján szerkesztett digitális térképe. Vezetéséért a földhivatalok felelősek.
Közmű alaptérkép A földmérési alaptérképek nagyításával (1:500, 1:1000) készül és a közterületeken bővíti annak tartalmát. Ez a térkép az alapja a szakági és az egyesített közmű nyilván tartásnak. Ez a térképtípus a települések belterületére készül, a területileg illetékes önkormányzatok illetve építési hatóságok felelősek a vezetéséért. A közterületen tartalmazza az ideiglenes építményeket, kiemelt szegélyeket, szilárd burkolat határokat, fákat és a felszínből kiemelkedő közmű objektumokat (pl. oszlopok).
Egyesített közműtérkép Az egyesített közműtérkép a a közmű alaptérkép tartalmát a közmű szakági vezetékek nyomvonalával és főbb szerelvényeivel bővíti. Ez a térképtípus a települések belterületére készül, a területileg illetékes önkormányzatok illetve építési hatóságok felelősek a vezetéséért.
Szabályozási tervek A szabályozási tervek a települések épített környezetére írnak elő szabályokat. A településeket övezetekre bontják és az egyes övezetekre vonatkozóan határozzák meg az övezet jellegét (lakó, intézményi), beépítési százalékot, minimális és maximális építmény magasságot, stb. A földmérési alaptérképpel egyező méretarányban készül, annak tartalmát bővíti.
Korszerű geodéziai mérőrendszerek és mérésfeldolgozás A nagyméretarányú digitális térképek előállításánál és az építésgeodéziában egyre korszerűbb automatizált mérőrendszereket használnak. A mérőállomások tekintetében több új fejlesztés jelent meg az elmúlt néhány évben. Elektronikus libella, kéttengelyű kompenzátor Reflektor nélküli távmérő Lézer vetítő, kitűző Szervomotoros műszer Automatikus irányzás (ATR) Távoli vezérlés (RCS) 1 + 1 ppm, 1 Fedélzeti szoftver A GPS rendszerek elsősorban az RTK technológia illetve az on-line elérhető korrekciók (hálózati RTK) segítségével a munkagépek irányításában egyre nagyobb szerepet kap. Emellett mérőállomásokra alapozott irányító és monitoring rendszereket is kifejlesztettek. A gréder, szképer, dózer, finisher és markoló rendszerekben forgó lézereket is alkalmaznak. Emellett a különböző mérőeszközök integrálása egy új irányzat a műszergyártásban. GPS és mérőállomás integrálása
Mérőállomás és digitális fényképezőgép integrálása Mérőállomás és lézerszkenner integrálása CAD és GIS adatformátumok összehasonlítása A mérnöki tevékenységek során gyakran van arra szükség, hogy az adott feladathoz legmegfelelőbb adatformátumot használjuk. A tervezés során zömében használt CAD formátumok mellett a digitális feldolgozás során egyre gyakrabban használnak GIS adatformátumokat is. A formátumok közötti áttérés nem mindig triviális. CAD formátumok (dxf, dwg, dgn, stb.) GIS formátumok (Shape, TAB, GeoBase, stb.) Rajzolás, tervezés támogatás Sokféle elemtípus Egy fájl sok réteg (egy felhasználós) Spagetti adatmodell Elemek megjelenítési tulajdonságait a geometriával együtt tárolja Az attribútumok nem képezik szerves részét 3D-s 2.5D Lekérdezés, elemzés Néhány elem típus (pont, törtvonal, felület) Egy réteg több fájl Topológikus adatmodell Csak a geometriai adatokat tárolja Az attribútumok szerves része az állománynak Vetületek kezelése Digitális térképek Vektoros és raszteres ábrázolás összehasonlítása A mérnöki munkában elsődlegességet élveznek a vektoros adatok a raszteresekkel szemben, de sok esetben az ortofotók, a műholdfelvételek és a szkennelt térképek is segítséget nyújtanak a munkánk során. Vektoros és raszteres ábrázolás Vektoros Kisebb méretű állományok Tetszőleges felbontás Összetett adatszerkezet Raszteres Nagyobb méretű állományok Rögzített felbontás Egyszerű adatszerkezet A legtöbb CAD és GIS rendszer mindkét adatformátumot, a vektorost és a raszterest is képes kezelni. Az ilyeneket hibrid modellnek hívjuk. A hibrid modellek esetén is az egyik típusú formátum nagyobb hangsúlyt kap. Például a CAD rendszerek esetén a vektoros adatok az elsődlegesek, míg a térinformatikai rendszerek esetén léteznek olyanok is melyekben a raszteres adatok az elsődlegesek (pl. ERDAS, GRASS).
Grafikus és adatbázis adatok összekapcsolása A térinformatika alfanumerikus adatokat kapcsol a térképi objektumokhoz. Ezt a hagyományos rendszerek kétféle adatbázis használnak. A grafikus (térképi) elemek tárolásához egy egyedi a adott szoftverre jellemző speciális adatbázist, míg az attribútumok tárolásához relációs adatbázist használnak. A kettősséget az adatok hatékony megjelenítése érdekében használják. A kétféle adatbázis között azonosítók segítségével teremtik meg a kapcsolatot. Adatformátumok A különböző, a szoftver fejlesztők által kialakított grafikus adatformátumok közötti áttérésre a szoftverekhez kapcsolódó adatcsere formátumokat is kialakítottak, melyek általában szövegesen tartalmazzák a grafikus objektumok leírását. A CAD rendszerek közötti legelterjedtebb adatcsere formátum az Autodesk cég DXF (Drawing exchange Format) formátuma. Ezt a formátumot a legtöbb GIS szoftver is képes fogadni. GIS szoftverek között egyik formátum sem ért el akkora sikert mint a DXF. A legelterjedtebb adatcserére is használt GIS formátum az ESRI Shape. A hagyományosan használt, egyes szoftverekhez kötődő formátumok mellett, újabb és újabb nemzeti és nemzetközi szabványok, ajánlások készülnek. Például ilyen az ingatlan-nyilvántartási térképekhez kialakított magyar DAT adatcsere formátum. Az internet elterjedésével újabb formátumokat jönnek létre, melyek legtöbbször XML alapúak (SVG, GML, KML). Digitális térképek létrehozása A digitális térképek létrehozására többféle technológiát használunk. Ezeket alapvetően az adatnyerés típusa szerint különböztetjük meg. Az elsődleges adatnyerés során a térképen ábrázolandó objektumok méretét és helyzetét valamilyen geodéziai módszerrel határozzuk meg. A másodlagos adatnyerés esetén egy már elkészített analóg térképről mérik le az adatokat. A másodlagos adatnyerés esetén a kiinduló térkép méretaránya alapvetően meghatározza a digitális térkép pontosságát. A geodéziai igényességgel készült analóg térképek esetén kb. 0.2-0.3 mm-re tehető a helyzeti pontosság. A kisebb pontosság ellenére gyakran használjuk a másodlagos adatnyerési eljárásokat, mert gyorsabbak és olcsóbbak. A digitális átalakítás során vagy az eredeti alapanyagról mérjük le a koordinátákat (digitalizáló tábla) vagy a térképszelvények szkennelése után a számítógép képernyőjén tesszük ezt meg. A többféle (esetleg vegyes) technológia miatt, a digitális térkép létrehozási technológiáját ismernünk kell.
Raszter-vektor átalakítás A digitális térképek másodlagos adatforrásokból történő előállítására automatizált technológiák is kidolgozásra kerültek. Az automatikus raszter-vektor átalakítás a szkennelt térkép pixeleiből állítja vissza a vonalak, esetleg a jelkulcsi jeleket, feliratokat és vonaltípusokat. A raszter-vektor átalakítás általában három lépésre bontható 1. pixelek átalakítása vonalakká 2. utófeldolgozás 3. ellenőrzés, manuális javítások A szkennel térképen az egyes vonalaknak általában egy több pixel széles terület felel meg. Az átalakítás első lépésében vonalak egy pixel szélességűre vékonyítása és az így kapott pixelek középpontjának összekötő egyeneseinek létrehozása történik. Ez már egy vektoros állomány, mely rengeteg apró vonalszakaszból áll. A második lépés (utófeldolgozás) során,paraméterezés függvényében, hosszabb egyenes szakaszok kialakítása, szövegfelismerés, vonaltípus felismerés, jelkulcs felismerés illetve az elemek rétegekre bontása történik. Az utófeldolgozás sikeressége nagymértékben függ a szkennelt alapanyag minőségétől és a beállított paraméterektől. Sajnos az automatikus módszerek nem tudnak minden problémát megoldani ezért az ellenőrzés és manuális javítások költsége és végrehajtási ideje nagyon magas lehet. Az automatikus átalakítás néhány neuralgikus pontja: a rétegekre bontás csak vonalvastagság, vagy szín alapján történhet kézírásos szövegek felismerése sok hibával történik Topológia A digitális vektor térképek esetén megkívánjuk, hogy az eges rajzi elemek pontosan csatlakozzanak. A topológia a térképi elemek közötti folytonossági és szomszédossági viszonyok leírására szolgál. Ezeket az adatokat a rajzi elemekhez kapcsolt adatbázis táblában tárolják. Ezek az adatok
függetlenek a koordinátarendszer választásától és elsősorban a térinformatikai elemzések végrehajtását gyorsítják. A topológia szempontjából csomópontokat, éleket és centrálisokat különböztetünk meg. A digitális térképekkel szemben megköveteljük, hogy topológiailag helyes legyen a tartalmuk. Rajztisztítás Bármelyik technológiával történik a digitális térkép létrehozása az emberi és egyéb hibákat tökéletesen nem tudjuk kizárni. A rajtisztítás célja, hogy a vektoros térképi állomány topológiai hibáit automatikusan kimutassuk illetve javítsuk. A hibák kimutatás és automatikus javítása egy megadott tolerancia értéktől függ. Rajzi hiba 1. Duplikált rajzelem ek (duplicate objects) 2. Túl rövid rajzelemek (short objects) Magyarázat Részben vagy teljesen átfedő rajzelemek. Például két azonos végpontokkal bíró vonalelem. A rajzban előforduló, a m egadott toleranciánál rövidebb rajzelem ek. 3. Alul lógás (undershoots) Egy vonal nem éri el a m egadott tolerancián belül eső cél rajzelem et. 4. Túl lógás (overshoots) Egy vonal, mely a toleranciát nem m eghaladó mértékben nyúlik túl egy cél rajzelemmel alkotott metszésen. 5. Metsződő ra jzelemek (crossing objects) 6. Pontatlan csatlakozások (clustered nodes) 7. Álcsom ópontok (pseudo nodes) 8. Lógó vonalak (dangling objects) Két egym ást m etsző rajzelem. A megadott toleranciánál közelebb eső kettő vagy több elem végpont. Egy olyan pont, melyben csak két rajzelem végpontjai csatlakoznak. Olyan rajzelem ek, m elyek egyik végéhez nem csatlakozik másik rajzelem (pl. zsákutca). 1013 1012 1011 1010 1 1014 5 4 1015 1016 2013 2012 2014 2015 3 2 4 2016 1017 1018 6 2011 2011 5 8 7 Digitális domborzatmodellek (DTM) A mérnöki tervezési feladatok többségében a terep topográfiáját figyelembe kell venni. A földfelszín digitális kezelésére domborzatmodelleket használunk. A digitális domborzatmodellek célja, hogy ismert magasságú pontok (támpontok) alapján tetszőleges, a DTM területére eső pontban a magasság előállítása interpolációval. A támpontokkal kapcsolatban általában megköveteljük, hogy a terep domborzatilag jellemző pontjai legyenek. Az interpolációs eljárással kapcsolatos követelmény, hogy folytonos legyen és hogy a terepet jól közelítse. A támpontok elrendezése szerint megkülönböztetünk szabályos és szabálytalan elrendezésű DTM-eket. A szabályos elrendezésű domborzatmodellek esetén általában egy a koordinátatengelyekkel párhuzamos négyzetrács sarokpontjaiban adottak a magasság értékek. Ilyen modelleket sokszor szabálytalan elrendezésű támpontokból vezetlek le IDW, krigelés, stb. módszerekkel. Előnye az egyszerű adatszerkezet, előszeretettel alkalmazzák hidrológiai modellezésekben. A szabálytalan elrendezésű domborzatmodellek az eredeti (pl. geodéziailag bemért) pontokra támaszkodnak. A legtöbbször egy háromszög hálózattal közelítik a terepfelszínt úgy, hogy a támpontok a háromszögek csúcsai és a háromszögek kerület összege minimális legyen. Az ilyen modellek kialakítása során egyéb feltételeket is figyelembe vesznek DTM létrehozása Szabályos elrendezésű DTM létrehozása (GRID) A szabályos elrendezésű DTM-ek zömében egy négyzetrács sarokpontjaiban adják meg a terep magasságát. Vannak olyan geodéziai illetve fotogrammetriai módszerek, melyek közvetlenül a rácspontokban adják meg a magasságot (pl. területszintezés vagy automatizált térfotogrammetriai
kiértékelés). Sok esetben viszont szórt (szabálytalan elrendezésű) pontok alapján hozzuk létre a GRID-t. Ezt általában az indokolja, hogy a rácsban elrendezett adatok kezelése egyszerűbb és hatékonyabb, másrészt a térinformatikai szoftverek bizonyos műveleteket csak rácsban elrendezett pontok esetén tudnak végrehajtani. Számos módszert dolgoztak ki a magasság levezetésére a rácspontokban: IDW (Inverse Distance Weight) távolsággal fordított arányba súlyozás Krigelés (támpontok súlyozott átlaga, a súlyok meghatározása legkisebb négyzetek módszerével) Felületekkel interpolálás (támpontokra illesztett felületekből) Szabálytalan DTM létrehozása (TIN) A szabálytalan elrendezésű támpontokra általában olyan háromszögrácsot illesztenek, mely hézagok és átfedések nélkül fedik le a vizsgált területet. Ez még nem egyértelmű definíció, mivel számtalan ilyen felosztás létezhet. Ezek közül azt választják, ahol a létrejövő háromszög rácsban a háromszögek kerület összege minimális lesz. Ez a feltétel egyenértékű azzal, hogy a háromszögek alakja közelítsen a szabályos háromszög alakjához. Ezt néha egyéb feltételekkel is kiegészítik, melyek azt teszik lehetővé, hogy az idomvonalakat (hátvonal, völgyvonal), törésvonalakat (pl. rézsű talp) nem metszhessenek háromszög élek. A szabálytalan háromszögrács levezetésére Delaunay készített hatékony algoritmust. DTM-ek alkalmazása Az építőmérnöki tervezések során számos esetben szükség van a terepfelszín magassági viszonyainak ismeretére. A tervezés során nem csak a domborzat modellre, hanem azt a tervezés eredményével módosító eljárásokra is szükség van. Néhány terület a domborzatmodell alkalmazására: szintvonalak generálása metszet készítés esésvonal keresés összelátás vizsgálat lejtőkategória térkép kitettség térkép térfogatszámítás vízgyűjtő terület lehatárolás lefolyási irányok erózió modellezés vonalas létesítmények tervezése látványtervek készítése Virtuális valóság Egy mérnöki létesítmény digitális valósághű modelljének elkészítésére alapvetően két esetben lehet szükség: egy tervezett objektum látványos bemutatása meglévő objektum felmérése 3D-s tervezés vagy bemutatás céljára
Test modellezési módszerek A tömör testek modellezésére több módszert dolgoztak ki, melyek különböző alkalmazások igényeinek felelnek meg. Ezek közül a legelterjedtebbek a határleírás (Boundary Representation, BR), Konstruktív Szolid Geometria (CSG) voxelek A határleírás esetén a testeket az őket határoló (általában sík) lapokkal definiáljuk. Egy test több lapból áll, az egyes lapok több élt tartalmaznak, az élek két pont közötti szakaszok. Ez egy hierarchikus (fa) leírását adja a testnek. Ebből a leírásból hatékonyan lehet előállítani a test vagy testek láthatóság szerinti megjelenítését. A konstruktív szolid geometria a halmaz műveletek és alap testek segítségével állítja elő a testeket. A halmaz műveleteket térbeli pontok halmazán értelmezi és a metszet, unió és különbség műveleteket használja. Az alapelemek közül a legegyszerűbb az úgynevezett féltér, ezt úgy kapjuk meg, ha egy sík egyenletében az egyenlőség jelet nagyobb egyenlőre cseréljük. A * x + B * y + C * z + D 0 Ez a feltétel valamennyi a sík normálisa felé eső oldalon és a síkon lévő pontra igaz. Egy kockát hat megfelelően választott féltér metszeteként kaphatunk meg. De ugyanígy egy gömb segítségével is kialakíthatunk félteret r 2 - (x x 0 ) 2 - (y y 0 ) 2 0 A konstruktív szolid geometria esetén a testeket az alaptestekből halmazműveletekkel származtatjuk. Mivel a felhasznált halmaz műveletek két operandussal rendelkeznek, a testek leírását egy bináris fával állíthatjuk elő, ahol a fa levelei az alaptestek, a csomópontok egy-egy halmaz műveletet jelentenek. A módszer előnye, hogy két test közötti halmaz művelet egyszerűen elvégezhető, csak a két test fáját kell összekapcsolni a megfelelő művelettel. Ez a módszer elsősorban a tervező rendszerekben használatos (pl. gépészet). További előnye még, hogy az egyes alaptestekhez csak egy olyan függvény megadására van szükség mely egy pontra (x, y, z) meg tudja állapítani, hogy kívül vagy belül van-e. Ezt egyszerűen az alaptestet definiáló egyenlőtlenségbe helyettesítéssel kaphatjuk meg. Ez görbe felületek esetén sem komplikált. A módszer hátránya, hogy ugyanazt a testet többféleképpen is leírhatjuk illetve az, hogy ebből a leírásból a megjelenítés komplikáltabb algoritmust igényel. A voxelek a teret azonos méretű kis kockákra bontják. Ez a raszteres 2D-s képek térbeli általánosítása. A testet egy három dimenziós mátrix-szal írhatjuk le, ahol a nem nulla értékű elem jelenti az anyaggal ki töltöttséget. Ezt a módszert olyan területeken alkalmazzák, ahol nagyon szabálytalan alakzat modellezéséről van szó. A mátrix helyett általában egy tömörített formátumot,
nyolcas fát használnak. A megoldás előnye, hogy a testek közötti halmaz műveletek egyszerűen elvégezhetők és a láthatóság szerinti megjelenítés sem bonyolult. Hátránya, hogy a megjelenítés eredménye nem túl esztétikus, de ezt különböző interpolációs eljárásokkal finomítani lehet. 3D-s világ kialakítása A 3D-s testek kialakítása során azzal a nehézséggel kell szembenéznünk, hogy zömében 2D-s eszközökkel dolgozunk (képernyő, egér, stb.). A legtöbb CAD szoftver lehetővé teszi a 3D-s testek kialakítását, de ennek sokszor gátat szab a felhasználó térlátásának a hiánya. Általában több nézet egyidejű szemlélésével tudunk a leghatékonyabban dolgozni. A valósághű ábrázoláshoz az egyes lapokhoz vagy testekhez anyagmintákat kapcsolhatunk, az egyes szoftverek anyagminta könyvtárakat biztosítanak a felhasználók számára (pl. téglafal, vakolt fal, stb.). A testek különböző irányú megvilágításával, a vetett árnyékokkal tovább növelhető a modellünk valósághűsége. A modellek megjelenítésére legelterjedtebben a z-buffer algoritmust alkalmazzák. Ez raszteres megjelenítő eszközök esetén alkalmazható. Az alapgondolata az, hogy minden egyes képponthoz (pixelhez) hozzárendel egy mélységi értéket, mely azt a pixelt letakaró legközelebbi lap mélységét tartalmazza abban a pontban. A mélység alatt a nézőpontból a pont képsíkra merőleges távolságát értjük. Az algoritmus kezdetén valamennyi mélység értéket végtelenre állítunk és a képernyő valamennyi pixelét háttér színűre állítjuk. Ezután minden képpont esetén megvizsgáljuk, a megjelenítendő összes testet. Ha valamelyik letakarja a pontunkat és az eddigi mélység értéknél közelebb van, akkor a pont színét átállítjuk a testnek megfelelő értékre és az új minimális mélységet is tároljuk. VRML nyelv A 3D-s modellezéshez önálló lap leíró nyelvet (Markup Language) alakítottak ki. Az első változat 1995-ben jelent meg. Viszonylag széles körben elterjedt annak köszönhetően, hogy ingyenes megjelenítő programok állnak rendelkezésre. 1997 óta ISO szabvány írja le a nyelvet. Ez nem egy hagyományos értelemben vett programnyelv, jobban hasonlít a HTML-re. Egy egyszerű szöveges fájlban írhatjuk be a világunkat, néhány alaptest felhasználásával. Ez azonban csak egyszerűbb modellek esetén járható út. Több 3D-s modellező szoftver biztosít VRML formátumú mentést. A VRML megjelenítők segítségével a felhasználó körbejárhatja a modellünket, tetszőleges pozícióból megnézheti, előre definiált nézőpontok között végig repülhet. A megjelenítők általában a böngésző program beépülő moduljai, így az interneten keresztül is megtekinthetők a modellek. Lehetőség van animációra, hang és videó beépítésére, java vagy javascript programok beépítésére. Az alap testek a téglatest, a gömb, a henger és a kúp.
Térinformatikai elemzések Számítási feladatok Regresszió számítás Koordinátatranszformáció Interpoláció Többfelhasználós és internetes térkép kezelés, megjelenítés Téradat szerver Térbeli indexelés Internetes megoldások További segédletek a http://www.agt.bme.hu/tantargyak/mernlet/segedletek.html oldalon találhatók