دانلود مقاله میکروژئودزی

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.

شبکه میکروژئودزی : یک شبکه ژئودزی محلی با دقت بالا که با هدف پیاده سازی نقاط یک سازه مهندسی و یا آشکارسازی تغییر شکل , طراحی و اجرا می شود .

علاوه بر کنترل سازه های عمرانی وحساس ، شبکه های ژئودتیکی در تعیین حرکات پدیده های طبیعی نیز کاربرد وسیعی دارند که می توان به پدیده هایی نظیر حرکات صفحات تکتونیکی ، گسلها وآتشفشانها اشاره نمود.

ویژگی خاص آن دقت بالای آن در مختصات نقاط است .

طراحی ،اجرا ومحاسبات شبکه های میکروژئودزی (آشکارسازی) از موضوعات بسیار جذاب وموردعلاقه علوم ژئودزی می باشد.

طراحی شبکه های میکروژئودزی هر شبکه ژئودزی برای دستیابی به هدف یا اهداف خاصی ایجاد می شودکه برای دستیابی به اهداف شبکه قطعا راه های گوناگونی را می توان انتخاب نمود.تعیین مناسب ترین راه دستیابی به اهداف شبکه پاسخی است که در طراحی شبکه به دنبال آن هستیم.

در مجموع شبکه های کنترل (میکروژئودزی) دارای دوپتانسیل زیر میباشد : 1 – ایجاد یک زیر بنا و اساس مطمئن ، دقیق و قابل اطمینان برای انجام اندازهگیریهای دقیق نقشه برداری ، مانند تهیه نقشه توپوگرافی دقیق ، پیاده نمودن پروژه های دقیق مانند سد، تونل، پل،‌ اسکله و سازههای که نیاز به دقت بالای هندسی 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.برای شبکه های معمولی هیچگاه تحلیل دقت وطراحی صورت نمیگیرد بلکه برآوردهای تقریبی وگاهاً تجربه در حصول دقت این شبکهها مورد استفاده واقع میگردد و آنالیزهای پیچیده و سنگین بر روی مشاهدات ضرورتی ندارد در حالیکه برای یک شبکه کنترل (شبکههای میکروژئودزی)انجام تمامی مراحل طراحی الزامیست و بعلاوه اینکه طراح نا گزیر است شبکه را به صورتی طراحی نماید که لزوماً اهداف از پیش تعیین شده را در یک سطح اطمینان قابل قبول پوشش دهد زیرا که نرسیدن به دقت از پیش تعیین شده ممکن است خسارات وصدمات بسیار جبران ناپذیری چه در بحث هزینهها و چه در مقوله ایمنی در بر داشته باشد.

همانگونه که در بالا ذکر گردید طراح یک شبکه باید یکسری پارامترها را برای رسیدن به اهداف 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)+ (هزینه) + (اعتماد پذیری) + (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 شد شبکههای میکروژئودزی حالت خاصی از یک شبکه ژئودزی موضعی یا محلی میباشند که در آن موقعیت نقاط شبکه با دقت بسیار بالایی تعیین می گردد.

شبکههای میکروژئودزی دارای 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 ایجاد یک شبکه میکروژئودزی برای ایجاد شبکههای میکروژئودزی نیاز به طی سه مرحله اصلی ذیل میباشد : 1-طراحی design 2-اجرا 3-محاسبات شبکه مرحله طراحی ( design) شبکه : - روش تحلیلی.

- روش عددی یا آنالیز اولیه.

تحلیل اولیه : در این بخش ابتدابا استفاده از قوانین حاکم و موجود در انتشار خطاها می توان میزان تا ثیر هر مشاهده و دقت آن را در برآورد مجهول یا مجهولات تعیین نمود.بعد از مشخص کردن میزان تاثیر مشاهدات مختلف ، می توان دقت اندازه گیری آنها را به اندازهای بالا برد که نتایج حاصله برای مجهولات دارای دقت دلخواه از پیش تعیین شده باشند،این عمل را تحلیل اولیه می 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(اگر از روش معادلات شرط برای سرشکنی کمترین مربعات استفاده کنیم نیازی به تعریف سیستم مختصات مرجع نداریم زیرا که معادلات شرط روابط هندسی بین مشاهدات را به شکل مستقیم تعریف میکنند و تصحیحات مشاهدات بر این مبنا برآورد میشوند ولی دشواری کار با روش شرط برای شبکه های بزرگ معمولا مهندسین را وادار می کند که روش پارامتریک را ترجیح دهند.).معمولاً در نقشه برداری کنترل مهندسی ، چهارچوب مرجع اندازه گیری یک سیستم متعامد و سه بعدی کارتزین می باشد و به ندرت از سیستم مرجع منحنی خط بیضوی استفاده می گردد.

همانطور که در ابتدا ذکر گردید انتخاب سطح مرجع برای مختصات تنها بخشی از طراحی مرتبه صفر است و لازم است تا به انتخاب سطح مرجعی که قرار است وریانس و کووریانس 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) ستونی از مرتبه چهار خواهد شد که راه حل برای رفع این کمبود مرتبه ثابت در نظر گرفتن مختصات دو نقطه از شبکه با اضافه نمودن معادلات کنسترینت به معادلات مشاهدات است این دو نقطه در حقیقت 02á مبنای مرجع را تشکیل می دهند.

ماتریس کووریانس که برای مختصات برآورد شده از سرشکنی کمترین مربعات بدست میآید Cx مستقیماً تحت تاثیر انتخاب این سطح مبنای مرجع است و این در حالیست که برخی دیگر از معیارهای دقت که از روش کمترین مربعات بدست میآیند نظیر بردار باقیمانده مشاهدات 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 .

کمیتهای نامتغییر کمیتهائی هستند که به کمک مشاهدات و بدون نیاز به شروط اضافی می توان آنها را برآورد نمود اصطلاح دیگری که برای این کمیتها بکار برده می شود (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 ) : طراحی مرتبه یک عبارت است از یافتن شکل هندسی و پیکربندی مناسب برای نقاط و عناصر مشاهداتی در شبکه به گونه ای که حدود تعیین شده برای معیارهای طراحی تامین گردد.

عموماً در نقشه برداری کنترل مهندسی، انتخاب موقعیت نقاط توسط عوامل طبیعی و فیزیکی نظیر شکل زمین ، وجود ساختمانها ، درختان و سایر عوامل از این دست محدود میگردد و فقط یکسری انتخابهای محدود برای طراح باقی می ماند.

بعد دیگر طراحی در این مرحله انتخاب عناصر مشاهداتی است برای نمونه اینکه آیا طول مشاهده شود یا زاویه و یا تلفیقی از این دو و دیگر اینکه چه طولها و زوایایی باید لزوماً مشاهده شوند تا به دقت مورد نظر دست پیدا کنیم.

طراحی مرتبه یک در حقیقت تعیین کننده ماتریس A در معادلات مشاهدات است ، به این ماتریس ، ماتریس طرح یا ماتریس ساختار گفته می شود و این ماتریس در بر گیرنده اطلاعات هندسی مربوط به شبکه است.

- طراحی مرتبه دو: (order design Second) : اگر شکل هندسی و پیکر بندی شبکه معلوم باشد لازم است تا وزن مشاهدات به گونهای تعیین شود که بتوانیم به دقت مورد نظر برای مجهولات دست پیدا کنیم.

در طراحی مرتبه دو نوع دستگاههای مورد استفاده برای اندازه گیریها و کیفیت و تعداد دفعات اندازهگیری مشاهدات برای رسیدن به معیارهای از پیش تعیین شده طراحی ، معلوم میگردد و برای این منظور لازم است که کلیه مسائل از جمله مسائل اقتصادی و هزینه طرح در نظر گرفته شود.

آنچه که معلوم است طراحی مرتبه یک و دو را نمی توان از یکدیگر مجزا در نظر گرفت زیرا که نتایج هر یک از این دو بر دیگری نیز تاثیر گذار خواهد بود.

بنابراین گاهی از اوقات لازم است تا با در نظر گرفتن چند وضعیت مختلف و مقایسه نتایج طراحی های مرتبه یک و دو از بین چند وضعیت مختلف جامعترین آنها را که کلیه معیارهای اولیه از نظر فنی و اقتصادی را تامین کند، انتخاب گردد.

اگرشکل هندسی و پیکر بندی شبکه معلوم باشد لازم است تا وزن مشاهدات به گونهایتعیین شود که بتوانیم به دقت مورد نظر برای مجهولات دست پیدا کنیمدرطراحی مرتبه دو نوع دستگاههای مورد استفاده برای اندازه گیریها و کیفیت وتعداد دفعات اندازهگیری مشاهدات برای رسیدن به معیارهای از پیش تعیین شدهطراحی ، معلوم میگردد و برای این منظور لازم است که کلیه مسائل از جملهمسائل اقتصادی و هزینه طرح در نظر گرفته شودآنچهکه معلوم است طراحی مرتبه یک و دو را نمی توان از یکدیگر مجزا در نظر گرفتزیرا که نتایج هر یک از این دو بر دیگری نیز تاثیر گذار خواهد بودبنابراینگاهی از اوقات لازم است تا با در نظر گرفتن چند وضعیت مختلف و مقایسهنتایج طراحی های مرتبه یک و دو از بین چند وضعیت مختلف جامعترین آنها راکه کلیه معیارهای اولیه از نظر فنی و اقتصادی را تامین کند، انتخاب گردد طراحی مرتبه سه بهینه سازی و تقویت شبکه های موجود با در نظر گرفتن معیارهای فنی و اقتصادی هدف اصلی از انجام این طراحی می باشد طراحیمرتبه سه زمانی انجام می شود که یک شبکه کنترل از قبل در اختیار داریم وقصد داریم تا با اضافه نمودن یک سری از نقاط و مشاهدات دیگر استحکام شبکهرا از نظر دقت و سایر معیارهای طراحی افزایش دهیم ، و یا اینکه قصد داشتهباشیم 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 اجراو 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 شبکه های میکروژئودزی با توجه به ویژگی خاص این شبکه هاکه دقت بالا در مولفه های مختصات می باشدبرای دستیابی به این ویژگی نیازمندمشاهدات بادقت بالا می باشیم انواع مشاهدات مورد استفاده در شبکه های میکروژئودزی مشاهدات طول توسط طولیابهای الکترونیکی مشاهدات امتدادهای افقی مشاهدات ترازیابی مستقیم مشاهدات ماهوارهای سه مشاهده اوّل جز مشاهدات نسبی و مورد چهارم جز مشاهدات مطلق است از تمامی مشاهدات ذکر شده در بالامشاهده طول بر سایر مشاهدات دارای مزایای زیر است سهولت در انجام مشاهده طول آشنایی کامل با منابع خطا در اندازهگیری طول وسهولت حذف خطاهای آن برایتمامی کارههای اجرایی مربوط به نقشه برداری باید تمامی امکانالت و تجهیزاتمورد استفاده از لحاظ کالیبره بودن و اینکه این تجهیزات تا حد بالایی فاقدخطاهای دستگاهی باشند مورد کنترل فرار گیرند ودر صورت نیاز این تجهیزاتکالیبره گردندبااستناد به مطالب فوق و اینکه کارهای میکروژئودزی اهمیت فوق العادهای بهمقوله دقت و صحت در مشاهدات انجام شده میدهند ،در نتیجه تجهیزات مورداستفاده نیز باید فوق العده دقیق بوده و از نظر اینکه فاقد خطاهای دستگاهیباشند مورد کنترل واقع شوندبرای نمونه خطاهای که میتواند در اندازهگیری طول به وسیله طولیابهای الکترونیکیواقع شوند را مورد بررسی قرار میدهیم خطای مقیاس مقیاسخطایی است که بصورت خطی متناسب با فاصله مورد اندازه گیری است و می تواندهم عامل درون دستگاهی داشته باشد و هم اینکه عامل برون دستگاهی باعث بوجودآمدن آن شوداگرنوسان ساز سیگنال مدوله شونده ، فرکانس اندازه گیری در نظر گرفته شده برایدستگاه را تولید نکند و فرکانس سیگنال تولید شده توسط آن مقداری با فرکانسطراحی شده برای نوسان ساز فرق داشته باشد آنگاه با خطای مقیاس در اندازهگیری مواجه می شویماینخطا به این دلیل اتفاق می افتد که محاسبه فاصله بر اساس فرکانس طراحی شدهبرای 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ازنقطه نظر آسیب پذیزی به طور مشخص دستگاههایی که برد زیادی در اندازه گیریدارند مانند سیستمهای مایکروویو بیشتر در معرض این خطا قرار دارند ودستگاههای 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برخلافخطای اندکس که دارای یک مقدار ثابت به ازای کلیه فواصل مورد اندازه گیریاست ، اندازه خطای دوری به ازای فواصل مختلف متغییر است و رفتاری مشابهمنحنی سینوسی داردبرای برآورد این خطا روشهای آزمایشگاهی و سر زمینی وجود داردباتوجه رفتار تناوبی و اندازه کوچکی که این خطا از خود نشان می دهد در عموماندازه گیری هایی که با طولیابهای امروزی انجام می شود از این خطا صرف نظرمی کنند و بجز موارد اندازه گیریهای بسیار دقیق ، مدل سازی ریاضی برای ایننوع از خطا انجام نمی شود خطای انکسار اساساندازهگیری فاصله توسط کلیه سیتمهای طولیاب الکترونیکی برمبنای ارسال ودریافت امواج الکترومغناطیسی و محاسبه اختلاف زمان رفت و برگشت می باشد واز 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 نمیگیرددر عملیاتهای زمینیواین اندازهگیریها در یک محیط واسط صورت میپذیرد و همانطور که میدانیم سرعتدر 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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 خطای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کلیهطول هایی که با طولیاب اندازه گیری می کنیم یا از مقدار واقع کوچکتر و یابزرگتر هستند و میزان کوچکتر بودن یا بزرگتر بودن طولها ارتباطی به فاصلهاندازه گیری شده ندارد ، بعبارت دیگر میزان این خطا برای کلیه فواصلاندازه گیری ثابت می باشددر دستگاه های امروزی مقدار این خطا خیلی کم و در حدود چند میلیمتر استومعمولا از طرف کارخانه سازنده سعی می شود که این خطا حداقل ممکن را داشتهباشد و یا در صورت وجود به صورت یک تصحیح با طول مورد اندازه گیری جمعگردیده و به عامل قرائت کننده نمایش داده شود منبع 