Как легко и точно провести небольшое ландшафтное исследование?

Вариант №1:

1. Найдите несколько объектов (дом, деревья и т. д.), которые в совокупности позволяют видеть хотя бы один из них из любой точки двора.

2. Прикрепите лазерную указку скотчем к концу уровня (так, чтобы можно было использовать уровень как монопод, стоящий на земле).

3. Пройдитесь по двору, держите уровень ровно и направьте лазер на один из объектов. 3a. Попросите кого-нибудь измерить объект с помощью рулетки. 3b. Вычтите длину вашего уровня.

4. После того как вы проведёте все измерения, определите разницу в высоте объектов по отношению друг к другу и соответствующим образом скорректируйте измерения.

Например, на этой схеме с YouTube-канала Practical Engineering, посвящённой геодезии человека можно заменить уровнем с лазерной указкой наверху. Тогда «измеренная высота» — это результат измерения на вашем объекте (шаг 3a); «высота линии взгляда» — это высота вашего строительного уровня (шаг 3b); вычтите высоту строительного уровня из измеренной высоты, чтобы получить «относительную высоту» (шаг 4)

Вариант №2:

Используйте программу для фотограмметрии, например PhotoModeler (http://www.photomodeler.com/), чтобы объединить фотографии, сделанные с помощью штатива и цифровой камеры с разных ракурсов. Конечно, эти приложения невероятно дорогие, возможно, они стоят дороже, чем упомянутые вами гаджеты. Если только у вас уже нет лицензии на один из продуктов AutoCAD, который предоставляет доступ к приложению для фотограмметрии AutoDesk — ImageModeler 2009 (http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=11390028&siteID=123112).

Я столкнулся с той же проблемой: мне нужно было террасировать склон на заднем дворе, чтобы сделать его более удобным для использования. Мне нужно было знать, где делать террасы, чтобы не пришлось убирать или добавлять грунт на участке, а также сколько блоков нужно купить. Вот что я сделал:

Краткое описание метода:

1. Соберите топографические данные в сферических координатах относительно показаний компаса и гравитационного уровня, используя столько исходных точек, сколько необходимо для исследования интересующей вас области.
2. В Excel преобразуйте данные в декартовы координаты
3. Приведите несколько наборов данных к общей системе координат
4. Отсортируйте данные от наименьшего к наибольшему значению Z
5. Постройте график с несколькими рядами данных в соответствии с желаемым разрешением контурных линий
6. Используйте линии тренда для заполнения контурных линий или рисуйте от руки.

Результаты:

Стоимость была нулевой, так как у меня уже были лазерная указка, телефон и штатив. Лазерная указка стоит от 50 до 150 долларов в зависимости от дальности действия и дополнительных функций. Моя стоила 100 долларов.

Точность: Судя по шуму в данных, около 6 дюймов. Но, честно говоря, я не особо старался быть точным, так как не хотел тратить много времени, если процесс мог сорваться из-за непредвиденных обстоятельств. Я даже не закрепил лазер и телефон на мазоните. Они были довольно свободно закреплены. Точка лазера не находилась в центре вращения штатива, что привело к ошибке.
Лазер не всегда попадал в землю из-за высокой травы, листьев и кустов. Что касается точности Android, то я не уверен, но можно было бы провести несколько тестов, чтобы это выяснить, ведь на самом деле нам важна только локальная относительная точность. То есть, если мой телефон отклоняется на 10 градусов, мне всё равно, пока разница в ориентации в один градус соответствует разнице в показаниях в один градус.

Время: около 2 часов на сбор 200 точек данных из трёх мест.

Площадь покрытия составляла примерно 60 футов в ширину и 20 футов в глубину с отклонением по оси Z примерно на 8 футов.

Подробные сведения:

1. Соберите данные. Я использовал дешёвый штатив для камеры с функцией наклона и панорамирования, лазерную рулетку Bosch и свой смартфон на Android с установленным приложением для измерения уровня по компасу. Я использовал кусок оргалита, чтобы сделать платформу для крепления к штативу, и закрепил телефон и лазерную рулетку на оргалите с помощью стяжек. Отклоняйте штатив и наклоняйте его, записывая направление по компасу и угол наклона с телефона, а также расстояние до лазерной рулетки в таблицу Excel. Я включил в набор данных довольно маленькую (то есть однозначную) опорную точку, которую было видно с того места, куда я перемещал штатив. Повторите несколько раз, чтобы обойти весь двор. (Вам не обязательно использовать ту же исходную опорную точку, достаточно иметь опорную точку между соседними местами сбора данных.)

2. В Excel преобразуйте данные из сферических координат, которые используются при измерении угла наклона или азимута, угла тангажа и расстояния от точки сбора, в декартовы координаты или (x, y, z). (Простые формулы для преобразования доступны в Интернете.)

3. Перевести в общую систему координат. Каждый раз, когда я перемещал штатив, я собирал новый набор данных с собственным началом координат, и, конечно, мне нужен был только один набор. К счастью, направление по компасу и наклон являются абсолютными, то есть они не меняются при перемещении штатива. Это значит, что все мои наборы данных имеют общую систему координат для панорамирования и наклона, поэтому мне нужно только перевести данные, без умножения матриц! Всё, что мне нужно было сделать, — это вычислить разницу в значениях x, y и z между наборами данных для моей однозначной точки отсчёта и добавить эту разницу ко всем координатам во вторичном наборе, чтобы преобразовать его в первичный набор данных. Выполняйте это преобразование столько раз, сколько потребуется, чтобы переместить последний набор данных в предпоследний, затем в следующий и т. д., и, наконец, в первичный набор. Теперь все данные находятся в одной общей системе координат. (Это можно сделать за один шаг, который представляет собой сумму всех преобразований.)

4. Используйте функцию сортировки, чтобы упорядочить данные по значениям z от наименьшего к наибольшему.

5. Используйте точечную диаграмму, чтобы отобразить данные по осям X и Y в виде серии графиков, основанных на диапазонах Z. Например, сгруппируйте все данные с Z в диапазоне от 0 до 1 фута, от 1 до 2 футов и т. д. и отобразите их все на одном графике. Каждый график представляет собой изоконтур (есть слово получше для этого, верно?).

6. Используйте функцию построения линии тренда, чтобы провести контурные линии через наборы данных. Я использовал функцию построения многоугольника 6-й степени, которая может оказаться недостаточно гибкой для многих наборов данных.

Я провёл небольшое исследование других методов создания топографических карт моего двора. Классический метод — использование теодолита, вех, рулетки и отвеса. Теодолит — это просто телескоп, который очень точно измеряет наклон и панорамирование (тангаж и рыскание, если хотите). В наши дни люди используют тахеометры, которые измеряют тангаж и рыскание, а также расстояние одновременно. Это сферические координаты, из которых после небольшой арифметической обработки получаются трёхмерные координаты. Именно это я и делаю с помощью лазерной указки и телефона. Я добавил фотографию с инструкцией.

Я думаю, что максимальная точность, на которую можно рассчитывать при такой ненадёжной установке, составляет несколько сантиметров. В основном проблема заключается в двух вещах.

1. Ошибки компаса.
2. Выравнивание и жёсткость.

Лазерная рулетка довольно точна, погрешность составляет доли дюйма, а измерение угла наклона — около 0,1 градуса. Компас довольно плохой. Датчик в телефоне быстро смещается, и на него легко может повлиять любой ферромагнитный металл или электроника, поэтому расстояние между телефоном и лазерной рулеткой составляет примерно 12 дюймов. К сожалению, из-за этого расстояния моя установка получилась довольно ненадёжной.

Но зато я могу сделать полезную фотографию своего заднего двора.

Эти данные были собраны в темноте, под дождём, и телефон находился рядом с лазерной лентой. Качество можно было бы значительно улучшить, если бы телефон использовался только для определения высоты, если бы был добавлен более точный компас, более рельефная платформа и если бы было выполнено предварительное выравнивание лазера и оси высоты штатива.

Я провёл ещё несколько тестов на точность, выбрав несколько точек во дворе и в доме, где я мог рассчитать положение точек и расстояние между ними с помощью своей установки, а затем сравнить результаты с прямыми измерениями с помощью лазерной рулетки.

С помощью телефона, лазерной указки и штатива для камеры, с более жёстким креплением для лазера и телефона, а также с лазером, выровненным по оси наклона штатива, можно добиться точности +/-8 дюймов в горизонтальной плоскости и +/-1 дюйм по вертикали на расстоянии 20 футов.

Замените компас в телефоне на транспортир, и погрешность в 3D снизится до +/-1 дюйма. В качестве транспортира я использовал строительный уровень, который показывает градусы.

Я не выдержал и купил подержанный теодолит (260 долларов), и погрешность в 3D сократилась примерно до +/-3/8 дюйма. Я бы объяснил это тем, что я держал лазерную ленту рукой над теодолитом, пытаясь расположить заднюю часть ленты в центре вращения окуляра и направить её на точку, которую я видел через окуляр.

Если бы вы спросили меня, как составить топографическую карту вашего участка, я бы посоветовал использовать лазерную рулетку, смартфон и строительный уровень, который позволяет измерять углы наклона и поворота. Транзитные уровни уступают место лазерным уровням, которые можно купить на eBay менее чем за 100 долларов.

Я бы сказал, что не стоит использовать лазерные уровни, лучше прибегнуть к старому доброму методу — взять напрокат рейку и уровень (я не знаю, сколько они стоят, потому что работаю в инженерной компании и просто беру их на выходные). Рейки бывают довольно большими (я обычно беру наши 25-футовые), так что вам не придётся сильно настраивать уровень. Следуйте совету из статьи о цифровых зеркальных фотоаппаратах, но вместо них используйте обычный уровень — так будет намного проще. Вы можете покрасить землю аэрозольной краской в тех местах, где хотите определить высоту, или вбить в землю колышки (небольшие деревянные бруски или что-то другое, что легко отличить и пронумеровать), чтобы всегда было легко запомнить, где именно находится та или иная возвышенность.

И просто для того, чтобы подробнее объяснить, о чём он говорил, если вам было непонятно. Первое измерение высоты (где находится рейка), которое вы делаете, называется измерением высоты 100 футов (так проще начать, чтобы не уйти в минус, если вы начнёте с 0). Если вы измеряете высоту на рейке в 5 футов, то высота прибора составляет 105 футов. Если при следующем измерении вы укажете 20 футов на рейке, это будет означать, что высота на рейке составит 85 футов. Вы оставляете рейку на этом месте и снова устанавливаете уровень в нижней части верёвки, чтобы можно было считать показания только с части рейки. Таким образом, не сдвигая рейку с места, вы считываете показания в 2 фута на новом месте установки уровня. Теперь высота инструмента составляет 87 футов, и вы можете продолжать пользоваться им. Вам просто нужно будет снова устанавливать уровень каждый раз, когда вы будете приближаться к концу рейки. Удачи

Купите или возьмите напрокат лазерный уровень, который излучает световой диск в горизонтальной плоскости. Установите его на высоте 30 см от земли в самой высокой точке.

Пройдитесь с рулеткой (или с двумя рулетками, скреплёнными скотчем, в зависимости от уклона). В каждой точке сетки отметьте, куда попадает лазерный луч. Возможно, вам придётся делать это ночью, чтобы видеть лазерную линию.

Введите свои данные в одну из программ, упомянутых в других ответах.

С помощью самовыравнивающихся лазерных линий можно избавиться от некоторых утомительных этапов, присущих другим решениям. Однако разметка сетки по-прежнему доставляет неудобства.

Правка: Перечитав вопрос, я понял, что не ответил на ваш главный вопрос, а именно о том, как справиться с большим уклоном. Вам понадобится рулетка с хорошей длиной измерения или более длинный шест (грабли для крыши с нанесённой на них разметкой?), чтобы измерить глубину в этих точках, а измерение сетки ещё больше усложняет задачу. Скорее всего, вам придётся обследовать эти участки по частям, устанавливая лазерный нивелир на новом месте в начале каждого участка, а затем соединять их.

Мне интересно, можно ли с помощью хорошей зеркальной камеры на прочном штативе быстро и без особых усилий выровнять горизонт.

Основная техника использования нивелира и рейки заключается в следующем:

1. Выберите нулевую точку.
2. Установите нивелир на расстоянии от нулевой точки, где головка будет выше нулевой точки.
3. Поместите градуированный стержень (обычно с красными и белыми отметками через 1 см) на нулевую точку.
4. Наведите стержень и запишите результат. Это даст вам высоту инструмента (Hi).
5. Повторите наведение и запись для каждой точки, которую вы хотите измерить.
6. После того как вы сделаете всё, что можно, в одном месте, перенесите прибор на новую территорию и вернитесь к известной точке, чтобы получить новый Hi.

Математика:

• Примите нулевую отметку за точку отсчёта.
• Hi = показания на стержне.
• Все остальные станции, расположенные в этой точке, находятся на высоте = показания — Hi (относительно точки отсчёта).
• Чтобы определить Hi2 на известной станции, Hi2 = высота (станции) + показания.

Похоже, вы готовы потратить на это некоторое количество времени. Метод с шестом и верёвкой — хорошее начало. Чтобы получить очень подробную карту, вам почти наверняка придётся обследовать участок из фиксированной точки (например, рядом с вашим домом), а кто-то другой будет держать шест в разных местах двора.

Вы наверняка видели, как государственные служащие делают это постоянно, когда проводят топографическую съёмку дорог и автомагистралей. При наличии точных данных о расстоянии и угле наклона, а также при наличии математических навыков (здесь вам поможет хорошая таблица Excel) это можно сделать. На Amazon продаются геодезические приборы, но, скорее всего, вы сможете арендовать их дешевле на месте.

http://www.amazon.com/CST-berger-55-SAL20ND-Automatic-Level/dp/B000YBJ8VW/ref=sr_1_2?ie=UTF8&qid=1299764646&sr=8-2