میکروژئودزی :
میکروژئودزی را میتوان شاخهای از علم ژئودزی دانست که به بررسی حرکات شبکه های ژئودزی در مقیاسهای مختلف میپردازد
در ادامه یک تعریف کلی از اصطلاح شبکه ژئودزی را مورد بررسی قرار میدهیم :
شبکه ژئودزی :
شبکه ژئودزی یک شکل هندسی متشکل از حداقل سه نقطه زمینی ( نقاط کنترل زمینی) میباشد که این نقاط از طریق مشاهدات ژئودزی با یکدیگر در ارتباط هستند.
شبكه ميكروژئودزي :
يك شبكه ژئودزي محلی با دقت بالا كه با هدف پياده سازي نقاط يك سازه مهندسي و يا آشكارسازي تغيير شكل , طراحي و اجرا مي شود . علاوهبر کنترل سازه های عمرانی وحساس ، شبکه های ژئودتيکی در تعيين حرکات پدیدههای طبیعی نیز کاربرد وسیعی دارند که می توان به پدیده هایی نظیر حرکاتصفحات تکتونیکی ، گسلها وآتشفشانها اشاره نمود.
ويژگي خاص آن دقت بالاي آن در مختصات نقاط است .
طراحی ،اجرا ومحاسبات شبکه های ميکروژئودزی (آشکارسازی) از موضوعات بسیار جذاب وموردعلاقه علوم ژئودزی می باشد.
طراحي شبكه های میکروژئودزي
هر شبكه ژئودزي برايدستيابي به هدف يا اهداف خاصي ايجاد مي شودکه براي دستيابي به اهداف شبكهقطعا راه هاي گوناگونی را مي توان انتخاب نمود.تعيين مناسب ترين راه دستيابي به اهداف شبكه پاسخي است كه در طراحي شبكه به دنبال آن هستيم.
در مجموع شبکههای کنترل (میکروژئودزی) دارای دوپتانسیل زیر میباشد :
1 ایجاد یکزیر بنا و اساس مطمئن ، دقیق و قابل اطمینان برای انجام اندازهگیریهایدقیق نقشه برداری ، مانند تهیه نقشه توپوگرافی دقیق ، پیاده نمودن پروژههای دقیق مانند سد، تونل، پل، اسکله و سازههای که نیاز به دقت بالایهندسی در پیاده شدن اجزای خود دارند.
2- مطالعه و تعیین تغییر شکل و جابجائی سازه های عظیم مانند سدها ویا پوسته زمین(حرکات تکتونیکی پلیتها) در اطراف گسل ها ومکان هائی که از نظر زمین شناسی احتمال جابجائی و تغییر شکل برای آنها وجود دارد. تفاوت اصلی شبکه کنترل با شبکه های معمولی مانند پیمایش های ساده در بحث اهمیت دقت وصحت اندازه گیری های این دوشبکه است.برایشبکه های معمولی هیچگاه تحلیل دقت وطراحی صورت نمیگیرد بلکه برآوردهایتقریبی وگاهاً تجربه در حصول دقت این شبکهها مورد استفاده واقع میگردد وآنالیزهای پیچیده و سنگین بر روی مشاهدات ضرورتی ندارد در حالیکه برای یکشبکه کنترل (شبکههای میکروژئودزی)انجامتمامی مراحل طراحی الزامیست و بعلاوه اینکه طراح نا گزیر است شبکه را بهصورتی طراحی نماید که لزوماً اهداف از پیش تعیین شده را در یک سطح اطمینانقابل قبول پوشش دهد زیرا که نرسیدن به دقت از پیش تعیین شده ممکن استخسارات وصدمات بسیار جبران ناپذیری چه در بحث هزینهها و چه در مقوله ایمنیدر بر داشته باشد.
همانگونهکه در بالا ذکر گردید طراح یک شبکه باید یکسری پارامترها را برای رسیدن بهاهداف از پیش تعیین شده برای یک شبکه کنترل مد نظر داشته باشد . این پارامترها را میتوان در چهار جمله کوتاه زیر خلاصه نمود :
1 - دقت Precision ) )
2 - اعتماد پذیری Reliability ) )
3 - هزینه Evpense ) )
4 - حساسیت (Sensibility )
به طور کلی هدف نهایی طراحی شبکه به صورت زیر خلاصه می شود:
بهینه واقتصادی =(حساسیت)+ (هزينه) + (اعتماد پذيري) + (دقت)
تقسیم بندی شبکههای ژئودزی :
شبکههای میکروژئودزی را میتوان بر اساس آیتمهای مختلفی دسته بندی نمود :
از نظردقت :
1 - شبکه درجه یک
2 - شبکه درجه دو
3 - شبکه درجه سه
از نظروسعت مکانی :
1 جهانی 2 منطقهای 3 محلی
نوع مشاهدات انجام شده در شبکه :
1 ارتفاعی
2 مسطحاتی
3 ارتفاعی مسطحاتی
کاربرد شبکه های ژئودزی :
تهیه نقشه Mapping : مهمترین و اصلیترین کاربرد شبکههای ژئودزی می باشد.
تعیین حدود و مرزهای استانی ) که مناطق وسیعی را شامل می شود).
پروژه تحقیقات فضائی وتاثیرات مختلف : مثلا برای نقاط کنترل زمینی GPS برای مختصات دادن به ماهواره و حذف تا ثیرات مختلف ( اتمسفر،تشعشعات خورشیدی و...) .
پروژه های مربوط به علوم ژئو فیزیک و زمین شناسی : مثلا تشخیص جابجائی نقاط ،که در بدست آوردن اطلاعاتی در مورد زلزله بکار می رود یا تاید گیج که مولفه جذر و مد را تشخیص می دهد.
مطالعه تغییر شکل پوسته بیرونی زمین
مطالعه تغییر شکل سازه های مهندسی نظیر سد ها و پل هاو. . .
همانگونه که در بالا توضیح داده شدشبکههای میکروژئودزیحالت خاصی از یک شبکه ژئودزی موضعی یا محلی میباشند که در آن موقعیت نقاط شبکه با دقت بسیار بالایی تعیین می گردد.
شبکههای میکروژئودزیدارای کاربردها و اهداف زیر میباشند :
آشکارسازی (میزان) بردارهای جابجائی نقاط در سازه های مهندسی نظیر سدها ،پل ها ،ساختمان های بلند و تجزیه وتحلیل رفتار سازه در طول دوره های زمانی (Epoch) متفاوت .
پیاده سازی سازه های مهم وحساس در نیروگاه ها و کارخانجات و مراکز حساس .
مراحل ايجاد يك شبكه ميكروژئودزی
برای ايجاد شبكههای ميكروژئودزي نیاز به طی سه مرحله اصلي ذیل میباشد :
1-طراحي design
2-اجرا
3-محاسبات شبكه
مرحله طراحی ( design) شبکه :
- روش تحلیلی.
- روش عددی یا آنالیز اولیه.
تحلیل اولیه :
در اینبخش ابتدابا استفاده از قوانین حاکم و موجود در انتشار خطاها می توانمیزان تا ثیر هر مشاهده و دقت آن را در برآورد مجهول یا مجهولات تعیین نمود.بعداز مشخص کردن میزان تاثیر مشاهدات مختلف ، می توان دقت اندازه گیری آنهارا به اندازهای بالا برد که نتایج حاصله برای مجهولات دارای دقت دلخواه ازپیش تعیین شده باشند،این عمل راتحلیل اولیهمی نامند .
تحلیل اولیه قبل از اینکه اندازهگیری واقعی شروع شود ،صورت میپذیرد. برای تحلیل اولیه مقادیر تقریبی از مشاهدات ومجهولات کافی است. عمل تحلیل اولیه منجربه تعیین مشخصات تکنیکهای مختلف اندازه گیری میشود که طی آنها دقتهای دلخواه برای مجهولات حاصل میشود.
برا اساس یک تعریف کلی از ژئودزین مشهور آقای گرافارند هرشبک دارای چهار مرحله طراحی است :
- طراحی مرتبه صفر(order design Zero ):
این مرحله را با نام مرحله انتخاب سطح مرجع برای مختصات ها نیز میشناسند .
شبکه کنترلی متشکل از یکسری نقاط و عناصر مشاهداتی مشخص میگردد که این مشاهدات باید در فضای سه بعدی اندازه گیری شود.
پس از طی مرحله فوق برای انجام محاسبات (با توجه به وجود رایانهها جهت سهولت)از معادلات پارامتریک استفاده میگردد. در این روش پارامترهای برآورد شده از جنس مختصات هستند و بنابراین بایستی یک سیستم مختصات برای شبکه مورد اندازه گیری مشخص شود(اگراز روش معادلات شرط برای سرشکنی کمترین مربعات استفاده کنیم نیازی بهتعریف سیستم مختصات مرجع نداریم زیرا که معادلات شرط روابط هندسی بینمشاهدات را به شکل مستقیم تعریف میکنند و تصحیحات مشاهدات بر این مبنابرآورد میشوند ولی دشواری کاربا روش شرط برای شبکه های بزرگ معمولامهندسین را وادار می کند که روش پارامتریک را ترجیح دهند.).معمولاًدر نقشه برداری کنترل مهندسی ، چهارچوب مرجع اندازه گیری یک سیستم متعامدو سه بعدی کارتزین می باشد و به ندرت از سیستم مرجع منحنی خط بیضویاستفاده می گردد. همانطورکه در ابتدا ذکر گردید انتخاب سطح مرجع برای مختصات تنها بخشی از طراحیمرتبه صفر است و لازم است تا به انتخاب سطح مرجعی که قرار است وریانس وکووریانس مختصات نقاط در آن توصیف شود ، توجه گردد. برای روشن شدن مطلب شبکه مسطحاتی را در نظر بگیرید که فقط زوایا در آن اندازه گیری شده باشند و هیچ طولی مشاهده نشده باشد. ماتریس ضرایب مجهولات A دارای یک کمبود مرتبه(Rank) ستونیاز مرتبه چهار خواهد شد که راه حل برای رفع این کمبود مرتبه ثابت در نظرگرفتن مختصات دو نقطه از شبکه با اضافه نمودن معادلات کنسترینت به معادلاتمشاهدات است این دو نقطه در حقیقت02áمبنای مرجع را تشکیل می دهند. ماتریس کووریانس که برای مختصات برآورد شده از سرشکنی کمترین مربعات بدست میآید Cx مستقیماًتحت تاثیر انتخاب این سطح مبنای مرجع است و این در حالیست که برخی دیگر ازمعیارهای دقت که از روش کمترین مربعات بدست میآیند نظیر بردار باقیماندهمشاهدات v و ماتریس کووریانس بردار باقیمانده مشاهدات Cv مستقل از تعریف سطح مبنای مرجع می باشند. به کمیتهایی که مستقل از تعریف سطح مبنای مرجع باشند اصطلاحاً کمیتهای نامتغییر (invariant) گفته می شود .
کمیتهاینامتغییر کمیتهائی هستند که به کمک مشاهدات و بدون نیاز به شروط اضافی میتوان آنها را برآورد نمود اصطلاح دیگری که برای این کمیتها بکار برده میشود (estimable) است و بر عکس آنها کمیتهائی مثل مختصات هستند که تعیین آنها الزاماً در نظر گرفتن شروط (constraints) را طلب می کند و به کمیتهای غیر قابل برآورد (inestimable) معروف هستند.
- طراحی مرتبه یک: (order design First ) :
طراحیمرتبه یک عبارت است از یافتن شکل هندسی و پیکربندی مناسب برای نقاط وعناصر مشاهداتی در شبکه به گونه ای که حدود تعیین شده برای معیارهای طراحیتامین گردد. عموماًدر نقشه برداری کنترل مهندسی، انتخاب موقعیت نقاط توسط عوامل طبیعی وفیزیکی نظیر شکل زمین ، وجود ساختمانها ، درختان و سایر عوامل از این دستمحدود میگردد و فقط یکسری انتخابهای محدود برای طراح باقی می ماند. بعددیگر طراحی در این مرحله انتخاب عناصر مشاهداتی است برای نمونه اینکه آیاطول مشاهده شود یا زاویه و یا تلفیقی از این دو و دیگر اینکه چه طولها وزوایایی باید لزوماً مشاهده شوند تا به دقت مورد نظر دست پیدا کنیم. طراحی مرتبه یک در حقیقت تعیین کننده ماتریس A درمعادلات مشاهدات است ، به این ماتریس ، ماتریس طرح یا ماتریس ساختار گفتهمی شود و این ماتریس در بر گیرنده اطلاعات هندسی مربوط به شبکه است.
- طراحی مرتبه دو: (order design Second) :
اگرشکل هندسی و پیکر بندی شبکه معلوم باشد لازم است تا وزن مشاهدات به گونهایتعیین شود که بتوانیم به دقت مورد نظر برای مجهولات دست پیدا کنیم. درطراحی مرتبه دو نوع دستگاههای مورد استفاده برای اندازه گیریها و کیفیت وتعداد دفعات اندازهگیری مشاهدات برای رسیدن به معیارهای از پیش تعیین شدهطراحی ، معلوم میگردد و برای این منظور لازم است که کلیه مسائل از جملهمسائل اقتصادی و هزینه طرح در نظر گرفته شود. آنچهکه معلوم است طراحی مرتبه یک و دو را نمی توان از یکدیگر مجزا در نظر گرفتزیرا که نتایج هر یک از این دو بر دیگری نیز تاثیر گذار خواهد بود. بنابراینگاهی از اوقات لازم است تا با در نظر گرفتن چند وضعیت مختلف و مقایسهنتایج طراحی های مرتبه یک و دو از بین چند وضعیت مختلف جامعترین آنها راکه کلیه معیارهای اولیه از نظر فنی و اقتصادی را تامین کند، انتخاب گردد.
- طراحی مرتبه سه: (order design Third ) :
بهینه سازی و تقویت شبکه های موجود با در نظر گرفتن معیارهای فنی و اقتصادی هدف اصلی از انجام این طراحی می باشد.
طراحیمرتبه سه زمانی انجام می شود که یک شبکه کنترل از قبل در اختیار داریم وقصد داریم تا با اضافه نمودن یک سری از نقاط و مشاهدات دیگر استحکام شبکهرا از نظر دقت و سایر معیارهای طراحی افزایش دهیم ، و یا اینکه قصد داشتهباشیم تا شبکه را گسترش دهیم و یا آنرا به شبکه دیگری متصل نمائیم. در این مرحله لازم است تا دقت مختصات شبکه اولیه نیز در سرشکنی دخالت داده شوند.در حقیقت این مختصات به عنوان پارامترهای اولیه وزندار در سرشکنی شرکت می کنند.
اجراو ایجاد ساختمان نقاط وانجام مشاهدات :
در این مرحله تصحیحات لازم به مشاهدات اعمال و پس از آن آزمونهای آماری لازم برای کشف مشاهدات اشتباه انجام می شود. بردار مشاهدات تشکیل داده شده و محاسبات سرشکنی انجام می شود. پس از انجام محاسبات سرشکنی ،نتایج حاصله مورد ارزیابی آماری از جهت صحت قرار می گیرند.
مشاهدات معمول در شبكه هاي ميكروژئودزي :
با توجه به ويژگي خاص اين شبكه ها ( كه دقت بالا در مولفه هاي مختصات مي باشد ) براي دستيابي به اين ويژگي نيازمندمشاهدات بادقت بالا مي باشيم .
انواع مشاهدات مورد استفاده در شبکه های میکروژئودزی :
- مشاهدات طول توسط طوليابهاي الكترونيكي
- مشاهدات امتدادهاي افقي
- مشاهدات ترازيابي مستقيم
- مشاهدات ماهوارهای
سه مشاهده اوّل جز مشاهدات نسبي و مورد چهارم جز مشاهدات مطلق است.
از تمامی مشاهدات ذکر شده در بالامشاهده طول بر سایر مشاهدات دارای مزایای زیر است :
1-سهولت در انجام مشاهده طول
2-آشنایی کامل با منابع خطا در اندازهگیری طول وسهولت حذف خطاهای آن.
برایتمامی کارههای اجرایی مربوط به نقشه برداری باید تمامی امکانالت و تجهیزاتمورد استفاده از لحاظ کالیبره بودن و اینکه این تجهیزات تا حد بالایی فاقدخطاهای دستگاهی باشند مورد کنترل فرار گیرند ودر صورت نیاز این تجهیزاتکالیبره گردند . بااستناد به مطالب فوق و اینکه کارهای میکروژئودزی اهمیت فوق العادهای بهمقوله دقت و صحت در مشاهدات انجام شده میدهند ،در نتیجه تجهیزات مورداستفاده نیز باید فوق العده دقیق بوده و از نظر اینکه فاقد خطاهای دستگاهیباشند مورد کنترل واقع شوند . برای نمونه خطاهای که میتواند در اندازهگیری طول به وسیله طوليابهاي الكترونيكيواقع شوند را مورد بررسی قرار میدهیم :
خطای مقیاس:
مقیاسخطایی است که بصورت خطی متناسب با فاصله مورد اندازه گیری است و می تواندهم عامل درون دستگاهی داشته باشد و هم اینکه عامل برون دستگاهی باعث بوجودآمدن آن شود.اگرنوسان ساز سیگنال مدوله شونده ، فرکانس اندازه گیری در نظر گرفته شده برایدستگاه را تولید نکند و فرکانس سیگنال تولید شده توسط آن مقداری با فرکانسطراحی شده برای نوسان ساز فرق داشته باشد آنگاه با خطای مقیاس در اندازهگیری مواجه می شویم.اینخطا به این دلیل اتفاق می افتد که محاسبه فاصله بر اساس فرکانس طراحی شدهبرای نوسان ساز صورت می گیرد و در صورت تفاوت فرکانس واقعی با فرکانس طرح، برای اصلاح طول اندازه گیری شده باید آنرا در یک عدد ثابت ضرب کنیم.عامل برون دستگاهی که می تواند در بوجود آمدن خطای مقیاس سهیم باشد صحیح اعمال نشدن ضریب انکسار محیط است. و همانطور که می دانیم تصحیح انکسار به صورت یک ضریب بر روی طول اندازه گیری اثر می کند. ازنقطه نظر آسیب پذیزی به طور مشخص دستگاههایی که برد زیادی در اندازه گیریدارند مانند سیستمهای مایکروویو بیشتر در معرض این خطا قرار دارند ودستگاههای برد کوتاه مثل گروه مادون قرمز کمتر تحت تاثیر این خطا می باشند. روشی که برای رفع این خطا به منظور کالیبراسیون استفاده می شود ، استفاده از باز مبنا می باشد.
خطای دوری:
این خطا به صورت یک تابع متناوب از طول موج اندازه گیری و اختلاف فاز بین سیگنال اندازه گیری و سیگنال مرجع شناخته می شود. برخلافخطای اندکس که دارای یک مقدار ثابت به ازای کلیه فواصل مورد اندازه گیریاست ، اندازه خطای دوری به ازای فواصل مختلف متغییر است و رفتاری مشابهمنحنی سینوسی دارد. برای برآورد این خطا روشهای آزمایشگاهی و سر زمینی وجود دارد. باتوجه رفتار تناوبی و اندازه کوچکی که این خطا از خود نشان می دهد در عموماندازه گیری هایی که با طولیابهای امروزی انجام می شود از این خطا صرف نظرمی کنند و بجز موارد اندازه گیریهای بسیار دقیق ، مدل سازی ریاضی برای ایننوع از خطا انجام نمی شود.
خطای انکسار:
اساساندازهگیری فاصله توسط کلیه سیتمهای طولیاب الکترونیکی برمبنای ارسال ودریافت امواج الکترومغناطیسی و محاسبه اختلاف زمان رفت و برگشت می باشد واز آنجا که سرعت انتشار موج (در خلاء) میزانی مشخص میباشد می توان فاصله را برآورد نمود .ولی مشکلی که در این میان وجود دارد این است که اندازه گیریهای ما در فضای خلاء صورت نمیگیرد(در عملیاتهای زمینی ) واین اندازهگیریها در یک محیط واسط صورت میپذیرد و همانطور که میدانیم سرعتدر محیط واسطه همیشه یکسان نیست و بسته به شرایط آب هوایی تغییر میکند. برای برآورد دقیق سرعت امواج الکترومغناطیس در محیط واسطه با ید از ضریب شکست آْن محیط مطلع باشیم که ضریب شکست توسط رابطه n=c/v معیین می گردد. ضریب شکست امواج الکترو مغناطیس در محیط جو سطحی زمین تابعی از عوامل ذیل است :
الف ترکیب عناصر گازی موجود در هوا
ب مقدا بخار آب موجود در هوا
ج درجه حرارت و فشار مخلوط گازهای موجود در هوا
د فرکانس سیگنالی که مورد استفاده است
دقت اندازه گیری فشار بخار آب موجود در هوا تاثیر بسزایی بر روی اندازه گیری طول با دستگاههای مایکروویو دارد.
خطای اندکس یا 0Z :
خطای Z0 از عدم انطباق مرکز ارسال امواج الکترو مغناطیسی برمرکز هندسی دستگاه که منطبق بر محور اصلی دستگاه می باشد ، بوجود می آید(این خطا ممکن است در منعکس کننده ها_ رفلکتورها نیز وجود داشته باشد.) به این معنی که در صورت وجود خطای Z0 کلیهطول هایی که با طولیاب اندازه گیری می کنیم یا از مقدار واقع کوچکتر و یابزرگتر هستند و میزان کوچکتر بودن یا بزرگتر بودن طولها ارتباطی به فاصلهاندازه گیری شده ندارد ، بعبارت دیگر میزان این خطا برای کلیه فواصلاندازه گیری ثابت می باشد. در دستگاه های امروزی مقدار این خطا خیلی کم و در حدود چند میلیمتر است. ومعمولا از طرف کارخانه سازنده سعی می شود که این خطا حداقل ممکن را داشتهباشد و یا در صورت وجود به صورت یک تصحیح با طول مورد اندازه گیری جمعگردیده و به عامل قرائت کننده نمایش داده شود.