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.