Протягом століть усі чотири промислові революції вплинули на геодезичні інструменти та професію в цілому. У цій статті досліджується, які різні навички та здібності сучасні геодезисти повинні розвивати з приходом останньої промислової революції: Індустріалізація 4.0.
Геодезист — це класична професія, яка налічує принаймні 500 років, а можливо, навіть 3000. Технічний розвиток геодезичних приладів був дуже добре задокументований протягом останніх 400 років, і багато з наших класичних інструментів – нівеліри та теодоліти – можна простежити до середньовіччя. Технологічний прогрес у геодезії йшов – і продовжується – паралельно з розвитком промислових революцій (ПР). У міру того як інструменти та їхні можливості змінюються, геодезисти повинні розвивати різні навички, щоб використовувати їх у сучасних польових умовах.
Основними рушійними силами геодезії в наш час є військові цілі та прагнення до реєстрації землі (кадастру) та більш об’єктивного оподаткування. Сучасні геодезисти використовують різноманітні вимірювальні системи, створені на основі комп’ютерних технологій: цифрового нівеліра, електронного тахеометра і приймача GNSS. Ці системи полегшують отримання геодезичних даних (кути, відстані, висот та координат) швидше й точніше, ніж раніше, за умови, що геодезист має відповідний сучасний набір навичок.
Геодезичні прилади в часі
Архаїчна фаза: відомо небагато деталей про ранні землемірні інструменти, але вважається, що вони були простими за своєю природою (наприклад, римська грома). Цей етап завершився в 1590 році з винаходом оптичного телескопа.
Оптична фаза: протягом більш ніж 300 років (1590-1924) технічні розробки створювали інструменти з оптико-механічними компонентами, такими як телескопи, мікроскопи, круги та осі, які дозволяли вимірювати горизонтальні та вертикальні кути. Загалом темп просування був повільним. Інструменти стали зручними або простими у використанні порівняно з сучасними технологіями лише на початку 20 століття. Налаштування теодоліта передбачало близько години складання та налаштування на кожному місці, перш ніж можна було розпочати вимірювання. Тоді геніальний Генріх Вільд (співзасновник WILD у Хербрюгзі, Швейцарія) винайшов теодоліт Т2, прилад, який дозволяв геодезистам починати вимірювання майже одразу після налаштування теодоліта. Це було не тільки відправною точкою для всіх сучасних геодезичних інструментів, але й кульмінацією оптичної фази. Пізніше пішли більш відомі оптичні теодоліти, включаючи WILD T3 і T4 і KERN DKM3.
Електрооптичний етап: Цей період характеризувався появою електронного вимірювання відстані, електронних або цифрових калькуляторів і цифрового зберігання геодезичних вимірювань і даних. Так тривало до 1989 року.
Фаза мультисенсорів: ця фаза розпочалася в 1990 році з розгортанням першого цифрового рівня, перших придатних для використання GPS-приймачів і першого тахеометра для однієї людини. Ми все ще в цій фазі.
Вплив 4 промислових революцій
Перші дві промислові революції (мал. 2) не мали істотного впливу на технічний прогрес геодезичних приладів. Проте третя промислова революція призвела до значних змін не лише в самих геодезичних інструментах, але й у підході геодезиста до роботи в цілому завдяки появі електронного вимірювання відстані (EDM), цифрового зберігання вимірювань і цифрових калькуляторів. У наступні десятиліття розробка та застосування програмного забезпечення (наприклад персональних комп’ютерів) стало дуже важливим і сформувало абсолютно новий профіль роботи для геодезиста.
Мультисенсорна фаза
Мультисенсорна фаза почалася в 1990 році з появою першого цифрового нівеліра, перших придатних для використання приймачів GPS і першого тахеометра для роботи з однією людиною. У перші роки відбулося технологічне ралі між тахеометрією та супутниковою геодезією (а саме GPS). Сьогодні цей конкурс завершився; Приймачі GNSS зазвичай використовуються в поєднанні з тахеометрами. За останні 30 років галузь представила на ринку величезний технологічний прогрес, і ця епоха все ще триває (див. Малюнок 3).
Загалом усі види приладів стали значно продуктивнішими, точнішими та універсальнішими. Продуктивність базується на різноманітних аспектах і критеріях, таких як тривалість одного вимірювання, діапазон вимірювання відстаней, кількість виміряних відстаней на одному заряді акумулятора, а також навички оператора, необхідні для високоякісних вимірювань. У той же час відбулося помітне зменшення обсягу зусиль, необхідних від користувачів, завдяки сучасним інструментам більш меншого розміру, меншій вазі та з зручними аксессуарам, таким як відбивачі та штативи. Крім того, зменшилися витрати не лише на фінансові інвестиції, а й на час, необхідний для навчання операторів геодезичного обладнання.
Процес вимірювання, минуле і сьогодення.
У минулому операторів геодезичних інструментів називали «спостерігачами», оскільки вони безпосередньо впливали на вимірювання та їх якість. Спеостерегачі використовуючі нівеліри або теодоліти мали мати гострий зір та мали б бути досвідченими в подальшіх камеральних обчисленнях. Ще 100 років тому вони також були вправними механіками. Спостерігач зчитував польові спостереження та мав би усувати вплив інструментальних похибок, численними повтореннями в чітко запланованих схемах спостереження (наприклад, двосторонні вимірювання з систематичним обертанням горизонтального кола інструменту між наборами вимірюваннь, а потім те саме в протилежному напряму). Такі повтори не тільки зменшували кількість особистих помилок спостерігача, але й забезпечували ефективний контроль проти грубих помилок спостережень і навіть помилок подальших розрахунків.
Сучасні оператори не є спостерігачами, а вже більше користуються мобільними комп’ютерами з гео-датчиками. Окрім налаштування приладу на місці, вони не мають прямого впливу на вимірювання. Сам процес вимірювання є повністю автоматичним, а отримані значення, до яких отримує доступ користувач, є продуктом кількох автоматичних зчитувань від одного або кількох датчиків, які чисельно компенсуються на основі складних геометричних і фізичних моделей корекції. Сьогодні 80% вимірювань у польових умовах виконуються без будь-якого резервування, оскільки теоретична точність одного вимірювання системою є достатньою, враховуючи, що вимірювальні пристрої належним чином працюють у межах своїх специфікацій. Користувачі часто вважають, що їхні результати є справжніми значеннями, без будь-яких відхилень. Додаткові перевірки відомих значень не часто виконуються.
Чотири технології для виконання вимірювань.
Сьогодні користувачі можуть вибирати з багатого інструментарію різних технологій вимірювання. Їх можна розділити на чотири категорії (див. Малюнок 4).
Отримання поодиноких точок: тахеометр і приймач GNSS є основними пристроями для визначення поодиноких точок, що означає, що кожна точка є об’єктом вимірювання. Віхі для GNSS-антен і відбівачів із вбудованими інерціальними вимірювальними блоками (IMU) позбавляють необхідності встановлювати віху по рівню, вертикально. Ця функція дозволяє не тільки вимірювати недоступні точки, але також забезпечує підвищену точність і швидкість процесу вимірювання.
Отримання хмар точок: лазерні сканери вперше з’явилися на ринку 25 років тому. Вони створюють цілі хмари точок за дуже короткий проміжок часу. Хоча поодинокі точки не мають конкретного значення, підмножини хмари точок представляють собою геометричні елементи, такі як площини, сфери та циліндри. Лазерні сканери, які сьогодні часто поєднуються з цифровими камерами, мають неперевершену продуктивність і універсальність у підкатегоріях стаціонарного, мобільного, безпілотного та автономного лазерного сканування. Висока швидкість вимірювання (один мільйон точок на секунду) відкрила абсолютно нові сфери застосування, де традиційні методи були б неспроможні через технологічні та економічні обмеження.
Використання нових технологій: нещодавно з’явилися нові технології вимірювання, включаючи георадари (GPR), радіолокаційну інтерферометрію (RI) і волоконно-оптичні вимірювання деформаційних процесів (FODM). Дві останні технології зосереджені на виявленні невеликих змін в об’єктах (аналіз деформації) шляхом повторюваних вимірювань. (АІ)Штучний Інтелект додає нових можливостей до аналізу та класифікації отриманих даних.
Використання вільно доступних даних дистанційного зондування: високоякісні, оновлені набори даних дистанційного зондування тепер доступні кожному безкоштовно, наприклад, через служби Copernicus відповідно до стратегії відкритого коду Європейського Союзу. Однак для цих наборів даних потрібне адаптоване програмне забезпечення для аналізу (великі дані та ШІ), оскільки найменший набір даних, який можна завантажити, може становити близько 1,6 ГБ.
Застарілі геодезичні навички
Щоб відповісти на питання, які навички потрібні сучасним геодезистам, було б варто почати з вивчення того, які навички застаріли. Хоча є небагато інформації про те, як працювали перші геодезисти, ми знаємо, що Геодезисти 2.0 і 3.0 мали досвід ручних розрахунків. Їх інструментарій розрахунків з часом змінювався, але багато ручної роботи все ще залишилося.
Для Геодезиста 4.0 тепер зовсім інша історія, оскільки вимірювання стали повністю автоматичними (наприклад, з автоматичним пошуком або відстеженням цілі або лазерним скануванням). Для проведення розрахунків доступні численні програмні пакети. Час роботи в польових умовах став набагато коротшим, ніж це було десятиліття тому, а у випадку з автономними системами він часто скоротився майже до нуля.
Рисунок 5: Еволюція необхідних навичок для геодезистів.
Сучасний Геодезист 4.0
Отже, які навички потрібні Surveyor(Геодезисту) 4.0?
Для отримання точних і достовірних даних попередні покоління сучасних геодезистів витрачали багато часу і сил на оволодіння необхідними навичками по роботі с геодезичними приладами.
Незважаючи на те, що протягом останніх років освоїти прилади стало легше, сучасним геодезистам тепер доводиться оволодівати не лише самими приладами, а й усім комплексом процесів, від збору, обробки та аналізу даних, до візуалізації та перевірки кінцевого результату (див. малюнок 5).
Крім того, вплив Інтернету, мобільного зв’язку та обчислювальної потужності зараз є вагомою силою четвертої промислової революції? Можна з упевненістю сказати, що сучасний геодезист вже використовує значну частину технологій, таких як ШІ, Великі Дані(Big Data), Інтернет речей(IoT), експертні системи та хмарні обчислення.
У минулому геодезичні рішення були відносно простими. Було декілько методів вимірювання, і, на відміну від сучасної ситуації, не було необхідності вибирати між різними видами інструментів, тому що для кожного завдання був свій окремий інструмент. Виконання збору даних керувалося та контролювалося інструкціями або нормативними документами, і не було місця для інших можливих рішень. Вимірювання визначали лише точки – у горизонтальному положенні або по висоті – і кінцевими результатами були або карта попередньо визначеного фіксованого масштабу, або числові дані (рис. 9).
Сьогодні як можливості, так і реальні вимоги більш ширші та більш різноманітні. Геодезичний проект можна умовно розділити на три етапи: планування та проектування, збір даних та обробка даних (рис. 10). У минулі часи їх виконували по черзі. Однак у наш час, перед виконанням робіт, йде значно довший етап планування, а перша частина обробки даних виконується паралельно з фазою збору даних. Завдяки більш ефективному сучасному обладнанню, яке використовується для збору та обробки даних, проект можна завершити набагато швидше, ніж у минулому часі. У той же час результати вимірювань можна використовувати для більш різноманітних цілей, таких як планування, картографування в різних масштабах і з різним рівнем деталізації, визначення об’ємів і так далі.
Це перетворило сучасного Геодезиста 4.0 із досвідченого спостерігача на менеджера проекту, який створює геодані. На початку кожного проекту геодезист повинен визначити завдання, включаючи тип і форму кінцевого результату. Кожен наступний крок, від збору даних до кінцевого результату, повинен бути визначений. Для найкращої стратегії збору даних Геодезист 4.0 має знати все про технічні обмеження (наприклад, чи можна виконувати вимірювання лише в нічний час) і відповідні правила безпеки, не кажучи вже про економічні аспекти проекту.
Після створення концепції збору даних Геодезист 4.0 має перевірити, чи можна досягти цілей вимірювань (наприклад, точність, щільність точок, швидкість збору, необхідні відстані між датчиками та об’єктами). Крім того, треба в процесі перевіряти отримані дані.
Підсумок умінь
Підсумуємо необхідні навички Геодезиста 4.0 для задоволення сучасних потреб:
- Технології вимірювань: Для оптимального вибору стратегії збору та обробки даних необхідні досконалі знання про всі потенційні вимірювальні системи та технології, включаючи їх обмеження (юридичні та технічні). Також необхідно мати знання про якість отриманих даних і конкретні вихідні формати проекту.
- Математика: зокрема, математичні знання повинні охоплювати геометрію, статистику, коригування СКП і виявлення грубих помилок.
- Бізнес-адміністрування: щоб включити порівняльний розрахунок вартості між різними варіантами вимірювання в процесі прийняття рішення, потрібні знання та досвід, пов’язані з обчисленням витрат на виконання робіт.
- Програмування: проект часто вимагає від геодезиста фільтрувати, відбирати, передавати або маніпулювати отриманими чи опрацьованими даними. Тому необхідні можливості програмування відповідними мовами програмування.
- Soft skills: Успіх геодезичного проекту залежить від тісного та конструктивного партнерства між геодезистом і замовником, особливо на етапі планування. Це підтримується “м’якими навичками”, такими як навички спілкування, навички презентації та командна робота.
Підсумок
Унікальною перевагою геодезистів завжди була їх здатність отримувати точну та детальну геометричну інформацію про великі об’єкти, природні чи штучні. Це не змінилося протягом останнього століття. Проте сучасний геодезист став універсальним працівником і менеджером з отримання точних геометричних даних. Якщо раніше було єдине завдання – оволодіння інструментом, то сьогодні це лише одне завдання з багатьох.
Різноманітність систем вимірювань сьогодні.
The Surveyor 4.0 | GIM International (gim-international.com)
® Переклад не професійний, від працівників компанії “Систем Солюшнс”, але з великою повагою до автора цієї статті Професора Рудольфа Штайгера, колишнього президента Німецької асоціації геодезії, геоінформації та землеустрою.