Despre stadiul actual și probleme ale sistemelor de referință și coordonate în România
Autor: conf. univ. dr. ing. Tiberiu RUS
1. Sisteme de Referință și Coordonate (SRC)
O categorie largă de utilizatori profesionişti sau amatori utilizează în prezent tehnologia de poziționare globală cu ajutorul sateliților de navigație GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Ei doresc să poată determina coordonatele și să le transpună rapid pe o hartă existentă, care în trecut era disponibilă în format analog (printată), iar în prezent este în format digital. Determinarea poziției se realizează în general relativ la o suprafață de referință, care este adoptată convențional (plan, sferă, elipsoid de rotație, geoid ș.a.). Punctele de pe suprafața topografică sunt referite la această suprafață prin determinarea prin măsurători a unor mărimi (distanțe, unghiuri, diferențe de nivel, gravitate) între puncte și suprafața de referință.
Sistemul de referinţă și coordonate (SRC) este un sistem care include două componente: sistemul de referință (datum) şi sistemul de coordonate. Datumul include 3 clase: datum geodezic (se referă în general la poziții geocentrice în spațiul 2D sau 3D), datum vertical (se referă la altitudini) şi datum ingineresc (se referă la poziții pentru lucrări inginereşti unde referința se alege local).
Sistemul de referinţă spaţial dat direct prin coordonate include un sistem de coordonate referit la Pământ prin intermediul datumului.
Componenta orizontală şi verticală care descriu poziţia în spaţiu pot proveni uneori din diverse SRC. Acest fapt poate fi asimilat prin intermediul unor Sisteme de Referinţă și Coordonate Compuse (SRCC). SRCC descriu poziţia pe baza a două sisteme de referinţă și de coordonate independente. Un sistem de referinţă european neambiguu poate fi descris ca un SRCC conform figurii următoare.
O operaţie aplicată coordonatelor este o schimbare a coordonatelor dintr-un sistem de coordonate în altul, bazate pe acelaşi datum. Transformările de coordonate şi conversiile de coordonate sunt categorii ale operaţiilor aplicate coordonatelor. Ca exemple de transformări de coordonate pot fi: trecerea coordonatelor din sistem elipsoidal/geodezic (latitudine, longitudine și cotă) în sistem cartezian (X,Y,Z) sau invers, trecerea din coordonate geodezice în coordonate în plan de proiecţie (Nord, Est), sau schimbarea unităţilor de măsură din radiani în grade sau din “picioare”(feet”) în metri. O conversie de coordonate utilizează parametri care au valori constante. O transformare de coordonate utilizează parametri care trebuiesc determinaţi empiric pe baza unui set de puncte având coordonate în ambele sisteme de referinţă. Relaţia de calcul cea mai des utilizată în cazul transformărilor de coordonate este transformarea Helmert cu 7 parametri:
unde : T- Datumul ţintă, S - Datumul sursă, T1,T2,T3 - translaţii geocentrice pe direcţia X/Y/Z [m]
R1,R2,R3 - rotaţii în jurul axei X/Y/Z [radiani], D - factor de scară [ppm]
Schimbarea coordonatelor dintr-un sistem de referinţă și coordonate în alt sistem de referinţă și coordonate, poate proveni dintr-o serie de operaţii constând în una sau mai multe transformări şi/sau una sau mai multe conversii. O operaţie de concatenare constă într-o schimbare de coordonate în urma uneia sau mai multor transformări şi/sau conversii. Nu există o limită superioară a numărului paşilor pe care să-i aibă operaţia de concatenare.
Relaţiile existente între coordonatele în SRC European (ETRS89-European Terrestrial Reference System), un SRC naţional şi un sistem de proiecţie European (ca de exemplu, UTM – Universal Transversal Mercator) pot fi reprezentate ca în figura următoare.
Reglementări în ceea ce privește SRC sunt realizate în prezent la nivel international prin comitetele ISO, cum este ISO/TC 211, la nivel european prin Eurogeographics, iar la nivel national prin ASRO (Asociațîa Română de Standardizare) și ANCPI (Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară). Nu în ultimul rând, reglementări cu privire la SRC în Europa sunt incluse în directive europene, cum este Directiva 2007/2/CE a Parlamentului European și a Consiliului, de instituire a unei infrastructuri de informații spațiale în Comunitatea Europeană - INSPIRE. Definirea standardelor pentru SRC utilizate în aplicaţiile GIS sunt luate ca urmare a unor decizii influenţate de factori politici, organisme şi organizaţii tehnice şi ştiinţifice.
2. Stadiul actual al implementării SRC în România
Odată cu dezvoltarea proiectelor internaţionale legate de sistemele informatice geografice (GIS) utilizate în diferite domenii, care urmăresc asigurarea compatibilităţii şi interoperabilităţii datelor spaţiale şi a serviciilor aferente în context comunitar şi transfrontalier, s-a intensificat utilizarea tehnologiei GNSS. A apărut astfel necesitatea transformării coordonatelor GNSS în coordonate în SRC ale diferitelor ţări. Pentru dezvoltarea proiectelor internaţionale s-a impus necesitatea utilizării unui SRC unic, care în Europa este în prezent ETRS89.
In România după anul 1951 și în țările din Estul Europei (membre ale Tratatului de la Varșovia) a fost utilizat în trecut SRC denumit S42 (Sistem 1942), care aproxima Pământul cu un elipsoid (Krasovski 1940) și utiliza un plan de proiecție similar cu cel UTM, denumit Gauss-Kruger. După anul 1971, SRC S42 a fost modificat prin adoptarea unei noi proiecții – proiecția Stereografică 1970. Ca urmare a Decretului nr. 305 din septembrie 1971, emis de către Consiliul de Stat al României, în sectorul civil al țării s-a decis înlocuirea proiecției Gauss-Kruger cu o nouă proiecție denumită proiecția Stereografică 1970, care prezintă o serie de avantaje legate de deformațiile liniare și areolare induse de reprezentarea într-un plan a unor puncte determinate pe suprafața unui ellipsoid. Printre altele, Decretul prevedea că "lucrările geodezice, topo-fotogrametrice și cartografice necesare economiei naționale se execută în sistem de proiecție stereografică 1970 și sistem de cote referite la Marea Neagră".
Datumul vertical se referă la determinarea altitudinilor relativ la o suprafață de referință, care poate diferi de cea utilizată pentru datumul geodezic. Această suprafață este definită în general de geoid (apropiat de suprafața mărilor și oceanelor și care în practică este transpus printr-un punct fundamental (de referință) materializat în general pe litoral, față de care se determină punctele unei rețele de nivelment). Pentru determinarea altitudinii punctelor, în România s-a utilizat datumul vertical referit la M.Neagră (Sulina) în legătură directă cu navigația pe Dunăre, iar apoi ca și în țările din Estul Europei, cel referit la M.Baltică (Kronstadt). După 1975 s-a trecut la utilizarea unui datum vertical referit la M.Neagră (Costanța), denumit M.Neagră 1975, cu varianta actuală ediția 1990. In practică, aceste datumuri sunt transpuse prin rețeaua geodezică națională de triangulație (orizontal) și rețeaua geodezică națională de nivelment (vertical). Ele au fost realizate de către Direcția Topografica Militară (actuala Agenție de Informații Geospațiale a Apărării „General de divizie Constantin Barozzi”), împreună cu instituții de profil din domeniul civil. După 1990, pentru sectorul civil, aceste rețele sunt menținute de către ANCPI prin Centrul Național de Cartografie (CNC).
Începând cu anii ’90, în majoritatea ţărilor europene a început să se utilizeze pentru lucrări geodezice, topografice, cadastrale și nu numai, proiecţia UTM împreună cu sistemul de referinţă ETRS89, care utilizează ca aproximare a Pământului elipsoidul GRS80. Adoptarea Directivei INSPIRE (2007) a necesitat luarea unor măsuri adecvate și în România, pentru implementarea ETRS89 ca datum geodezic orizontal însoțit de un sistem de coordonate și a EVRS (European Vertical Reference System) ca datum vertical.
Adoptarea de către România a Sistemului de Referinţă European ETRS89, prin Ordinul 212/2009 al Directorului General al ANCPI privind adoptarea în România a Sistemului de Referinţă Terestru European 1989, identificat sub denumirea ETRS89-GRS80, a însemnat adoptarea acestui datum geodezic (cu elipsoid GRS80) însoțit de un sistem de coordonate, care a fost ales ca fiind cel elipsoidal (latitudine, longitudine, cota elipsoidală). Implementarea în practică s-a efectuat de către ANCPI prin realizarea unei Rețele Geodezice Naționale Spațiale (RGNS), care include pentru prima dată determinări de poziții utilizând numai GNSS. Mai mult, RGNS-Clasă A (fig. 5) este constituită dintr-o rețea de stații GNSS permanente care asigură determinări continue de poziții cu precizii 3D de sub 1cm. Această rețea acoperă uniform teritoriul național și asigură legătura cu retele similare din țările vecine, la nivel regional (EUPOS), dar și cu rețele de nivel european (EPN) și global (IGS). Pe lângă determinarea coordonatelor acestor puncte în ETRS89, rețeaua furnizează servicii de poziționare în timp real (transmiterea prin internet a unor corecții către echipamente GNSS din teren) și postprocesare cu precizie de 1-5 cm pentru utilizatorii interesați. RGNS – Clasă A este îndesită prin borne în teren din RGNS-Clasă B (precizie 2cm) și RGNS-Clasă C (3 cm).
3. Probleme și propuneri ale implementării SRC în România
Adoptarea de către România a ETRS89, prin Ordinul 212/2009 al Directorului General al ANCPI este un pas important în modernizarea SRC din țară noastră, dar încă nu suficient pentru a ne situa la standardele europene și internaționale specifice.
În Concluzie, putem spune că SRC prezintă o importanță nu numai teoretică, dar mai ales practică prin faptul că alegerea și utilizarea corectă a unui SRC se repercutează asupra rezultatelor obținute, care constau în poziții exprimate prin coordonate. Tehnologiile moderne satelitare de poziționare au facilitat implementarea unor SRC geocentrice cum este ETRS89 utilizat în Europa, care impun înlocuirea SRC locale (cum este S42) și valorificarea la maxim a posibilităților deschise de noile SRC. România prin instituțiile cu responsabilități în domeniu trebuie să se mobilizeze pentru a implementa pe deplin SRC menționat în Directiva INSPIRE și a ușura astfel integrarea și unificarea SRC din țările europene. Prin fonduri europene s-a investit consistent în tehnologiile satelitare de navigație și poziționare, cum este sistemul GALILEO și există acces deschis la serviciile aferente.
Profesioniștii din domeniu și din țara noastră s-au adaptat relativ rapid la noile cerințe ridicate de tehnologiile moderne de poziționare, lucrează eficient și rapid. Chiar dacă poate nu toți sesizează dezvoltările și tendințele actuale referitoare la problematica SRC, ei așteaptă ca prin instituțiile statului sau prin organizații profesionale, cum este Uniunea Geodezilor din Romania, să fie corect informați, îndrumați și sprijiniți pentru dezvoltare și valorificare a potențialului actual oferit nu numai de dezvoltările tehnologice, dar și cele teoretice recomandate sau obligatorii, care au și o finalitate practică.
Bibliografie
Autor: RUS Tiberiu – este conferenţiar univ.dr.ing. și director al Departamentului de Geodezie şi Fotogrammetrie din Facultatea de Geodezie – Universitatea Tehnică de Construcții București. Activitatea didactică include în principal disciplinele de Geodezie Spaţială, Geodezie Matematică şi Geodezie Fizică, iar preocupările de cercetare se situează în domeniile poziţionării GNSS, geodinamicii, realizării modelului de (cvasi)geoid, sistemelor geodezice de referinţă şi coordonate. A contribuit, ca şef al Serviciului de Geodezie în cadrul ANCPI (Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară) în perioada 2004-2010, la realizarea Reţelei Geodezice Naţionale Spaţiale Clasă A – staţii GNSS permanente, inclusiv 5 staţii de clasă europeană şi a serviciilor de poziţionare ROMPOS. A desfăşurat stagii de cercetare la BKG - Agenţia Federală de Cartografie şi Geodezie (Germania) şi Departamentul de Poziţionare şi Navigaţie din UT Graz (Austria). Este membru al UGR (Uniunea Geodezilor din România) – președinte al Comisiei 5 – Poziționare și Măsurători, membru al SRFT (Societatea Română de Fotogrammetrie și Teledetecție) , secretar al CNGG (Comitetul Național de Geodezie și Geofizică) afiliat la IAG (Asociația Internațională de Geodezie).
Utilizarea echipamentelor de tip UAV în lucrările de măsurători terestre și inginerie civilă
Autor: dr. ing. Liviu Constantin ILINCA
Realizarea măsurătorilor terestre reprezintă o provocare în contextul dinamicii actuale de dezvoltare pentru orice companie din domeniul ingineriei civile.
Până nu demult, măsurătorile terestre se executau cu echipamente de tipul teodolitelor și al nivelelor automate. În anii 1991-1993 au apărut în România echipamente noi, de tipul stațiilor totale, care permiteau măsurarea rapidă a distanțelor în teren, iar prin intermediul programelor aflate în memoria echipamentelor, se puteau efectua diverse operațiuni topografice (calcul de coordonate direct în teren, trasări, retrointersecții, etc). Mai târziu, începând cu 1995, topografii din România au început să folosească GPS-urile, pentru determinarea poziției punctelor de interes. În timp, GPS-ul a evoluat, ajungând astăzi o unealtă de bază în domeniul măsurătorilor, fiind folosit la efectuarea măsurătorilor dar deasemenea este utilizat pe mașinile de construcții - de exemplu buldoexcavatoare, autogredere, etc - pentru realizarea cu acuratețe ridicată a lucrărilor de inginerie civilă.
În ultima vreme, a apărut o nouă unealtă pentru realizarea măsurătorilor, unealtă care permite măsurarea suprafețelor cu o acuratețe ridicată și obținerea unor informații vizuale tridimensionale ale zonei de interes. Aceste echipamente se numesc DRONE sau UAV (Unmanned Aerial Vehicle).
Dronele actuale sunt echipamente diverse, variate, care pot fi clasificate, în funcție de soluția aleasă pentru zbor în :
- drone de tip multirotor sau single rotor (elicoptere)
- drone de tip aripă fixă
- drone de tip VTOL (decolare/aterizare verticală, dar zboară precum un avion)
Fig. 1. Dronă de tip multirotor
Fig. 2. Dronă de tip elicopter
Fig. 3. Dronă de tip VTOL
Fig. 4. Dronă de tip aripă fixă
Dronele permit efectuarea de fotografii aeriene ale zonei de interes, iar apoi, utilizând un software specializat, aceste fotografii sunt transformate în ortofotoplan, respectiv în nor de puncte tridimensional al zonei studiate. Din aceste 2 produse primare, tot cu ajutorul unei soluții software specializate, topograful poate apoi realiza diverse produse derivate, precum :
- DSM – modelul digital al suprafetei
- DTM – modelul digital al terenului
- plan de situație vectorial
- curbe de nivel
- plan de situație cu puncte cotate
- calcul de volume pentru diverse zone de interes
Domeniile de aplicabilitate în utilizarea dronelor nu se limitează doar la inginerie civilă. Dronele pot fi utilizate în domeniul agriculturii inteligente, prin utilizarea unor senzori diverși, care permit obținerea informațiilor necesare determinării stresului plantelor, a conținutului de apă în sol, respectiv în plantă, imaginile obținute pot indica diverși dăunători, etc.
De asemenea, o altă modalitate de utilizare a dronelor constă în supravegherea șantierelor de construcții și monitorizarea acestora.
După cum se observă, utilizarea dronelor aduce avantaje mari în domeniul lucrărilor de inginerie civilă.
Fig. 5. Ortofotoplan - detaliu zonă rezidențială
Fig. 6. Model 3D zonă rezidențială
Fig. 7 – Ortofotoplan – detaliu lucrare de artă
Fig. 8. Model 3D exploatare minieră deschisă
Fig. 9. Model digital al terenului
Fig. 10. Hartă indice NDVI
Fig. 11. Determinarea nivelului de apă în plantă – indice NDWI
Rezultatele prezentate anterior, permit apoi realizarea proiectelor, precum reabilitarea canalelor de irigații sau a căilor de comunicații, cadastrul special sau general pentru zona de interes studiată, etc.
Fig. 12. Profil longitudinal printr-un canal de irigații
Fig. 13. Profil transversal prin canalul de irigații
Fig. 14. Nor de puncte cale ferată
Avantajele utilizării dronelor rezidă din :
- rapiditate în realizarea măsurătorilor
- acuratețe ridicată (de la 2 cm la 10-15 cm, în funcție de tematica lucrării)
- rezultate care redau cu acuratețe relieful și zona studiată
- posibilitatea calculării volumelor cu un grad ridicat de acuratețe
- costurile cu etapa de măsurare/proiectare se reduc considerabil, rezultatele fiind mult mai corecte și mai precise.
În ultima perioadă, pe lângă dronele dedicate fotogrametriei, au apărut și drone care sunt capabile să folosească un dispozitiv de tip lidar, permițând realizarea unui nor de puncte cu o acuratețe foarte ridicată. În combinație cu o camere fotografică, rezultatele obținute constau într-un nor de puncte foarte compact și precis, colorat, care redă foarte fidel conformația terenului, a clădirilor dar și vegetația din zona studiată. Aceste informații, pot fi clasificate pe straturi (teren, drum, clădiri, vegetație joasă, vegetație înaltă, etc), rezultatele obținute putând fi foarte ușor folosite în domenii diverse ale ingineriei civile.
Din păcate, legislația în vigoare, mai ales începând cu 1 Ianuarie 2021, a adus o înăsprire a condițiilor privind realizarea zborurilor pentru lucrările topografice și/sau de inginerie civilă. Astfel, pe lângă îndeplinirea condițiilor existente privind atestarea piloților, care permite realizarea de zboruri la vedere, pentru realizarea de zboruri pe suprafețe mari, dincolo de limita vizibilității dronei, operatorul acesteia trebuie să treacă peste o întreagă birocrație, fiind nevoit să întocmească manual de operațiuni, plan de evaluare a riscurilor, etc, operațiuni care necesită timp, iar în domeniul lucrărilor topografice, timpul nu a fost niciodată prietenul nostru. Să sperăm că autoritățile vor înțelege necesitatea utilizării dronelor și vor arăta o deschidere privind posibilitatea realizării unor asemenea lucrări fără opreliști birocratice.
Despre autor: Absolvent al Facultății de Îmbunătățiri Funciare și Ingineria Mediului în 1995 și al Facultății de Geodezie în anul 2000. Doctor Inginer în
domeniul Ingineriei Civile din anul 2004, cu teza „Utilizarea Sistemelor Informaționale Geografice în Amenajara Bazinelor Hidrografice”.
Experiență în realizarea lucrărilor topografice și a echipamentelor topografice începând cu 1993.