فن آوری های جدید اطلاعات و ارتباطات منجر به ظهور تکنیک های جدید در زندگی روزمره ما شده است. در واقع، در توپوگرافی، توسعه رعد و برق از تکنیک های جدید و دستگاه های جدید مورد توجه قرار گرفته است. این پیشرفت منجر به انتخاب های زیادی از دستگاه ها و کلاس های مختلف دقت شده است. این بدان معناست که تصمیم گیرندگان باید تجهیزات کافی و تکنیک مناسب را با توجه به وظیفه توپوگرافی مورد مطالعه قرار دهند. هدف مقایسه GNSS و تکنیک های توپوگرافی نیست، بلکه اشاره به سهم تکنیک های سیستم جهانی ناوبری ماهواره ای (GNSS) در کار توپوگرافی است. بنابراین، یک مطالعه نظری با نگاه انتقادی بر اصل علمی محاسبه بعد توپوگرافی سوم و به دنبال آن یک کارزار تسطیح، نظرسنجی‌های Real Time Kinematic (RTK) به منظور مقایسه و تفسیر نتایج این کمپین‌ها استفاده خواهد شد. مطالعه تفاوت های ناشی از کمپین های عملی به ما امکان می دهد تا سهم فناوری GNSS را شناسایی کنیم.
کلید واژه ها
توپوگرافی ، GNSS ، تکنیک ، دقت ، مشارکت
1. مقدمه
اجرای کارهای توپوگرافی معمولاً مستلزم وجود معیارهای ژئودتیکی برای ارجاع داده های اندازه گیری است. با سیستم موقعیت یابی فضایی، اکثر نقاط مرجع اکنون مستقیماً به صورت سه بعدی تعیین می شوند.
برای برآورده کردن این نیاز، شبکه ای از نقاط بادوام برای تعیین موقعیت پلان سنجی و ارتفاعی اجسام (یا نقاط) روی سطح زمین مورد نیاز است. در سنگال، تسطیح عمومی غرب آفریقا در سال 1953 (NGAO53) و شبکه مرجع سال 2004 سنگال (RRS04) سیستم های مرجع رسمی ارتفاع و پلان متری هستند. لازم به ذکر است که تعیین ارتفاع به طور کلی مشکلات بیشتری را برای متخصصان در کشورهایی مانند سنگال ایجاد می کند، جایی که معیارهای قد در دسترس نیستند [ 1 ]. این معیارها اغلب با عوامل فیزیکی خاصی مواجه می شوند که منجر به تغییر شکل پوسته زمین و معیارهای واقعی می شود.
در این کار، سهم فناوری سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS) در تخمین بعد سوم برجسته شده است. بنابراین، کمپین های سطح بندی و بررسی های GPS به منظور شناسایی سهم فناوری GNSS در توپوگرافی انجام شد. پس از عملیات تسطیح مستقیم، پیمایش های زمان واقعی سینماتیک (RTK) و استاتیک سریع با ادغام مدل ژئوئیدی EGM2008 برای تعیین ارتفاع از ارتفاعات تعیین شده و موج های درون یابی انجام شد. مقایسه این دو نوع اندازه گیری برای ارزیابی دقت EGM2008 در منطقه مورد مطالعه استفاده شد.
1.1. تسطیح هندسی
تسطیح مستقیم یا تسطیح هندسی یک عملیات توپوگرافی است که با کمک یک تراز و یک عصا انجام می شود که امکان تعیین اختلاف سطح (که معمولاً به عنوان اختلاف ارتفاع هندسی شناخته می شود) بین دو نقطه از مناظر افقی که روی یک چوب گرفته می شود را ممکن می سازد. محاسبه ارتفاع از این عملیات بر اساس آگاهی از تفاوت سطح و ارتفاع اولیه [ 2 ] است.
این عملیات اغلب در توپوگرافی برای انجام یک تنظیم ارتفاع استفاده می شود که به شبکه مرجع عمودی نیاز دارد.
البته، تفاوت سطح بین دو نقطه، بر خلاف تفاوت های اندازه گیری شده در سطح، مستقیماً به مسیر دنبال شده بستگی ندارد ([ 3 ]، p 40-p 41). بنابراین، آیا می توان این متغیر را به عنوان یک تابع حالت مشخص کرد؟ تابع حالت یک متغیر فیزیکی است که تغییرات آن فقط به حالت های اولیه و نهایی بستگی دارد و به مسیری که دنبال می شود بستگی ندارد ([ 4 ]، ص 3).
قرائت های عقب و جلو با توجه به مسیر دنبال شده و ارتفاع ایستگاه متفاوت است، در حالی که تفاوت سطح در طول مسیر انتخابی به قرائت های عقب و جلو بستگی دارد. با تجزیه و تحلیل پتانسیل ارتفاع، مشخص می شود که این اختلاف ارتفاع نیست که یک ثابت است، بلکه اختلاف پتانسیل است ([ 3 ]، ص 41).
از سوی دیگر، با در نظر گرفتن این عنصر، جالب است که قضیه شوارتز را روی دیفرانسیل کل اعمال کنیم. کاربرد این فرمول بر روی اختلاف سطح با معادله شماره 1 در زیر آورده شده است:
∂2دn∂ L a r ∂ L a v=∂∂ L a r[∂ دn∂ L a v] =1_∂2dn∂Lar∂Lav=∂∂Lar[∂dn∂Lav]=1?(1)
اعمال این فرمول در واقع یک مقدار تهی به دیفرانسیل دوگانه می دهد: این نشان می دهد که گرادیان یک تابع حالت نیست. به روش کلاسیک، این اختلاف سطح بین دو نقطه ثابت می ماند. اما در صورتی که یکی از نقاط دچار حرکت شده باشد، این اختلاف سطح به تابعی متغیر با محیط اندازه‌گیری تبدیل می‌شود که می‌توانیم آن را تخمین بزنیم. آیا یک مطالعه نظارتی در چارچوب سمع می تواند این تغییرات زمانی را به روشی خاص برآورد کند؟
برای یک مسیر بین دو نقطه، پیوندی بین قرائت عقب و جلو وجود دارد. یک چنین واقعی وجود دارد که:
l a r = l a v + εlar=lav+ε(2)
ε به حدی است که اختلاف ارتفاع بین این دو نقطه ثابت می ماند. بنابراین ε تغییر نمی کند و ثابت می ماند.
بنابراین، تفاوت سطح را می توان به صورت زیر بیان کرد:
دn = l a v + ε − l a v = ε = c s t edn=lav+ε−lav=ε=cste(3)
∂ ∂ دn∂ L a r ∂ L a v= 0∂∂dn∂Lar∂Lav=0(4)
تضاد بین (1) و (4) حد واقعی تسطیح مستقیم است.
1.2. تسطیح GNSS
سیستم های موقعیت یابی ماهواره ای سهم زیادی در تعیین دقیق نقاط روی سطح زمین داشته اند. با این حال، تعیین جزء ارتفاع سنج یکی از محدودیت های این سیستم بود، زیرا فقط می توانست ارتفاع را نسبت به بیضی مرتبط اندازه گیری کند. این با کمیت فیزیکی (ارتفاع) مورد علاقه کاربران مطابقت نداشت. تا قبل از توسعه مدل‌های ژئوئیدی که می‌توانستند در گیرنده‌های GNSS یا نرم‌افزار محاسباتی ادغام شوند تا ارتفاعات از این اندازه‌گیری‌ها و موج‌بندی ارائه‌شده توسط مدل به دست آید، مطابقت نداشت. چندین مدل مانند EGM 96 و EGM08 پیاده سازی شده است.
توابع مورد استفاده برای تعیین موج ها بر اساس مدل های هارمونیک [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] محاسبه می شوند.
امواج مرتبط با مدل EGM08 بر روی هر یک از گره های شبکه با توابع هارمونیک قابل گسترش تا درجه n محاسبه می شود. ([ 3 ]، ص 44). فرمول ریپل زیر را می توان استفاده کرد:
ن=تیγ=جی امγ∑n = 2∞آnهrn + 1∑m = 0nپn ، m( گناه φ ) (سی∗n ، mcos m λ +اس∗n ، mگناه m λ )N=Tγ=GMγ∑n=2∞aenrn+1∑m=0nPn,m(sinφ)(Cn,m∗cosmλ+Sn,m∗sinmλ)(5)
2. روش شناسی
هدف این مقاله برجسته کردن سهم GNSS در برخی از کارهای نقشه برداری مرسوم است.
رویکرد اتخاذ شده ایجاد یک چند ضلعی پایه با روش های مرسوم نقشه برداری است. نقاط مختلف چند ضلعی نیز با روش GNSS (RTK و استاتیک سریع) مشاهده شد.
بخش دوم شامل مطالعه جفت ارتفاعی GNSS و روش مرسوم است. با دانستن ترتیب بزرگی تفاوت ها، مطالعه ای برای تطبیق این دو روش انجام می شود.
3. آزمایش و نتایج
3.1. سایت مطالعه
منطقه مورد مطالعه در Thies واقع شده است، دقیقاً در منطقه HLM Mbour، درست در سمت راست جاده منتهی به Mbour در سطح Lat. استادیوم دیور مختصات جغرافیایی منطقه مورد مطالعه در طول جغرافیایی بین -16.945˚ و -16.950˚ و در عرض جغرافیایی بین ˚14.774 و 14.776 تغییر می کند.
منطقه مورد مطالعه در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 1 . نمای نقشه منطقه مورد مطالعه از طریق (Google Earth).
شکل 2 . نقشه منطقه Thies و موقعیت منطقه مورد مطالعه.
3.2. توسعه چارچوب GNSS
مشاهده GNSS در حالت استاتیک سریع به طور فزاینده ای آسان می شود ([ 9 ]، ص 462). این حالت ها علاوه بر دقت به تعداد محدودی اپراتور (یک تا دو نفر) نیاز دارند و با منابع محدود قابل اجرا هستند. استفاده از حالت استاتیک سریع در برخی از کارهای اندازه گیری که تعداد نقاطی که باید اندازه گیری شوند زیاد است یا با خطوط پایه نسبتاً بزرگ نیاز به زمان بیشتری دارد. در واقع، حل ابهامات در هر نقطه جدید مستلزم زمان قابل توجهی برای مشاهده هر نقطه است و نمی توان به دلایل اقتصادی در کاربردهایی مانند اندازه گیری پروفیل طولی یا اندازه گیری DTM از آن استفاده کرد. استفاده از حالت استاتیک و سینماتیک سرعت و دقت را در تحقق نقاط پایه GNSS فراهم می کند [ 10 ]]. همچنین در صورت وجود ماهواره های کافی با هندسه خوب، می توان نقشه پایه را در ارتفاع سنجی و همچنین در پلان سنجی هم در روز و هم در شب تهیه کرد. پردازش مشاهدات با نرم افزار محاسباتی GNSS و اجرای محاسبات در عرض چند دقیقه انجام می شود. با این حال، روش‌های GNSS دارای معایبی هستند: وابستگی به محیط اندازه‌گیری، وابستگی به ساختارهای خارجی (صورت فلکی)، دقت بسته به طول خط مبنا، کار کردن فقط در خارج و غیره. برای این مرحله، چهار نقطه توسط استاتیک سریع مشاهده شد. روش و پس پردازش با نرم افزار Leica geo office انجام شد. زمان مشاهده در هر نقطه پانزده دقیقه بود و این انتخاب به شدت به طول خطوط پایه بستگی داشت.
جدول 1 و جدول 2 تغییرات مختصات را به ترتیب بر حسب متر و درجه فهرست می کنند. همچنین نتایج این جداول به ترتیب در شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 3 . منحنی تغییرات اختلاف مختصات صفحه بر حسب متر.
شکل 4 . منحنی تغییرات تفاوت مختصات جغرافیایی.
در این بخش، نمودار نشان می دهد که انحرافات کوچک (میلی متری) بین راه حل های استاتیک سریع و RTK به دست آمده است. این تفاوت های کوچک در مورد ما عمدتاً به دلیل خطوط پایه کوتاه به دست آمده است. اگر خطوط پایه از ده کیلومتر بیشتر شود، اینها می توانند به سرعت به سانتی متر (یا حتی چند سانتی متر) برسند. این می تواند موقعیت استاتیک سریع را در مقایسه با RTK قابل قبول کند. بنابراین بهتر است با روش محوری مرکزی که شامل ایجاد و محاسبه اولین ایستگاه در مرکز منطقه مورد مطالعه با روش‌های استاتیکی یا سریع استاتیکی (بسته به خط مبنا) است، پیش برویم. این ایستگاه سپس به عنوان محوری برای مشاهدات مختلف در حالت استاتیک سریع یا در RTK (اگر خطوط پایه ضعیف هستند) مانند مورد ما عمل می کند. این دقت و سرعت خاصی را تضمین می کند.
3.3. توسعه چند ضلعی با یک ایستگاه توتال
برای این فاز، یک چند ضلعی قاب شده بین نقاط K3 و K2 ساخته شد. برای انجام این کار، اندازه گیری زاویه و فاصله در هر رأس چند ضلعی انجام شد. نتیجه در جدول 3 نشان داده شده است.
مزیت این روش این است که تکنیک ممکن برای ساخت بوم در مواقعی که شرایط استفاده از GNSS فراهم نیست، امکان کار در داخل خانه و همچنین خارج از منزل را دارد. معمولاً به یک تیم سه نفره شامل یک نقشه بردار ارشد، یک اپراتور، یک دستیار نقشه برداری و احتمالاً یک راننده نیاز دارد.
عیب این روش این است که نیاز به زمان زیادی برای اجرا و دقت بسته به طول اضلاع چند ضلعی دارد. همچنین، آن است
فقط در طول روز انجام می شود، یک محدودیت به دلیل کل ایستگاه. همچنین نیاز به دانش دو یا چند نشانه دارد. همچنین وابستگی کمی به محیط اندازه گیری، برخی مشکلات قابلیت همکاری (Prism Constant)، استقلال از ساختارهای خارجی دارد. معمولاً به راحتی تحت تأثیر منابع خاص خطا قرار می گیرد.
پس از مرحله میدانی، زمانی که بسته شدن زیر حد تحمل باشد، داده های خام باید جبران شوند. این پردازش را می توان با نرم افزار توپومتریک، با محاسبه دستی و یا در اکسل انجام داد. این پردازش در مقایسه با روش GNSS می تواند چندین ده دقیقه طول بکشد. جدول 4 اعتبار چند ضلعی را فهرست می کند.
هزینه های مالی برای تحقق این روش متغیر بوده و به تعداد پرسنل و زمان اجرا و همچنین به دقت مورد انتظار بستگی دارد.
جدول 5 نتایج چند ضلعی جبران شده را نشان می دهد.
3.3.1. نتایج با برخی از ایستگاه های اندازه گیری شده با روش RTK
سه نقطه به روش RTK بررسی شد. نتیجه این نظرسنجی در جدول 6 آمده است.
3.3.2. RTK و مقایسه چند ضلعی جبران شده
مقایسه مختصات بین RTK و بررسی های چند ضلعی پایه در جدول 7 نشان داده شده است .
با مقایسه مختصات به دست آمده با روش استاتیک سریع و با روش RTK، خاطرنشان می شود که تفاوت بین این دو روش در مورد عملی ما میلی متری است. در منطق اشاره به این تفاوت ها در دقت، مقایسه مختصات به دست آمده با روش RTK و با روش چند ضلعی کلاسیک انجام شده است. جدول 7 تفاوت بین 1 تا 5 سانتی متر را نشان می دهد.
به طور خلاصه، مختصات محاسبه شده و جبران شده با روش چند ضلعی، چند سانتی متر به مختصات RTK نزدیک است. استفاده از روش مرسوم برای این نوع کارها مستلزم چیدمان زیاد و کار طاقت فرسا است. GPS باعث صرفه جویی در زمان و کاهش هزینه کار با ریسک کمتر می شود.
بنابراین روش چند ضلعی به زمان بیشتر و تیمی بیش از سه نفر نیاز دارد. این یک دقت سانتی متری در مقایسه با مختصات به دست آمده توسط GNSS پس پردازش می دهد.
3.4. پیوست نقاط چند ضلعی به NGAO53
روش اتخاذ شده برای اتصال نقاط چند ضلعی، تراز مستقیم است. این روش دارای مزایای زیر است: خواندن خود به خود اختلاف سطح، سهولت اجرا، سرعت اندازه گیری و دقت میلی متری.
از معایب این روش می توان به محدودیت بردها به دلیل ابزار مورد استفاده، وابستگی به محیط اندازه گیری، مشکل دید بین دو نقطه اندازه گیری متوالی و ایستگاه های متعدد زمانی که نقاط از هم دور هستند، اشاره کرد.
این عملیات تسطیح امکان یافتن ارتفاع نقاط پایه در منطقه مورد مطالعه را فراهم می کند. این امکان مقایسه تغییرات در موج های استنتاج شده توسط پس پردازش و RTK را فراهم می کند.
یک مسیر بسته به نقطه TH02 اعمال می شود. پس از تکمیل این مسیر که حاوی نقطه K1 است، مسیر بسته دیگری در اطراف K1 انجام می شود تا ارتفاع نقاط پس از پردازش را پیدا کند.
جدول 8 عناصر محاسبه تلورانس را با توجه به نوع بوم نشان می دهد. پس از انتخاب نوع بوم، بعد نقطه K1 از نقطه TH02 تعیین می شود. این مسیر در جدول 9 نشان داده شده است .
از نقطه K1 ارتفاع سایر نقاط پیدا می شود. این مسیر در جدول 10 آورده شده و در جدول 11 خلاصه شده است.
جدول 11 ارتفاع های مختلف نقاط را خلاصه می کند.
3.4.1. تنوع امواج در محل مطالعه
با توجه به [ 1 ]، ریپل Ν به عنوان تفاوت بین ارتفاع بیضی شکل و ارتفاع ارتومتریک توصیف می شود.
جدول 12 ارتفاعات و امواج را نشان می دهد و جدول 13 تغییرات موج را به عنوان تابعی از طول و عرض جغرافیایی نشان می دهد.
جداول انحراف مختصات جغرافیایی نقاط K1، K2، K3 و K4 و تغییرات موج‌ها را خلاصه می‌کند. این تغییرات با توجه به مختصات و موجی نقطه K1 محاسبه شده است.
توجه داشته باشید که وقتی انحراف در طول و عرض جغرافیایی در حد یک میلی متر باشد، آنگاه تغییرات موجی زیر یک متر است.
همچنین اشاره می‌شود که برای سه نقطه، زمانی که انحراف طول‌های جغرافیایی ثابت است و انحراف عرض‌های جغرافیایی متفاوت است، تغییر موج‌ها متریک است. بنابراین این نتیجه نشان می‌دهد که امواج با عرض جغرافیایی متفاوت است.
علاوه بر این، برای سه نقطه، اختلاف عرض جغرافیایی بین این سه نقطه نزدیک است و اختلاف طول جغرافیایی متفاوت است. بنابراین، تغییرات ریپل به تغییرات طول جغرافیایی بستگی دارد.
علاوه بر این، ریپل متغیری است که به تغییرات طول و عرض جغرافیایی بستگی دارد.
3.4.2. ارتفاع و ریپل
جدول 14 ارتفاعات از EGM08 و تفاوت آنها و مواج در هر نقطه در نظر گرفته شده را خلاصه می کند.
میانگین مربعات خطا (emq) عبارت است از: σ = 0.041 m. مقدار یافت شده به خوبی دقت EGM08 را تأیید می کند که در سنگال در حد 5 سانتی متر است [ 1 ].
این بدان معناست که برای مطالعات (مثلاً، پیش پروژه) یا کارهای تسطیح که باید با تحمل چند سانتی متری انجام شود، می توان از یک مدل ژئوئید جهانی دقیق مانند EGM2008 استفاده کرد. با این حال، بهترین راه حل همچنان استفاده از مدل ژئویدی محلی است، همانطور که در بسیاری از کشورهای توسعه یافته وجود دارد.
4. نتیجه گیری
از این نتایج، سهم GNSS از نظر پیوند ارتفاع سنج برجسته شده است. با این حال، مهم است که در نظر داشته باشید که علیرغم تقریب نتایج، تسطیح هندسی دقیق ترین عملیات برای اتصال ارتفاعی یک نقطه باقی می ماند.
این مطالعه به درک و ایجاد محدودیت های GNSS و نقشه برداری مرسوم کمک کرده است.
همچنین به چندین سوال مطرح شده بین GNSS و توپوگرافی معمولی پاسخ داد.
نتایج این مطالعه نقش GNSS را از نظر صرفه جویی در زمان و دقت و تحت محدودیت های خاص نشان داده است.
لازم به ذکر است که این مشارکت‌ها در حال حاضر به همه حوزه‌های کلاسیک مربوط می‌شوند، به جز تراز کردن زمانی که شرایط محیطی اجازه استفاده از GNSS را می‌دهد. اما، با این وجود، فقط باید دانست که با برخی درمان‌های گزارش‌شده در مطالعات ما، GNSS زمانی که با یک مدل ژئوئید جهانی مانند EGM2008 مرتبط است، می‌تواند به سطح مستقیم نزدیک شود. تسطیح همچنان حوزه توپوگرافی است که در آن GNSS با استفاده ساده در کشورهایی مانند سنگال که در آن ما به فقدان یک مدل ژئوئیدی محلی دقیق که می‌تواند از کمپین‌های گرانشی، تسطیح و اندازه‌گیری GNSS مشتق شود، اشاره می‌کنیم، نتایج بسیار رضایت‌بخشی نمی‌دهد.
بدون دیدگاه