۱- ژئودزی
ژئودزی یا زمین‌سنجی شاخه‌ای از ریاضیات کاربردی و علوم زمین است که با تعیین شکل و ابعاد زمین، تعیین موقعیت دقیق بر روی آن و بررسی میدان ثقل زمین و تغییرات آن سر و کار دارد.
–
محتویات
- ۱ نام
- ۲ شاخه‌های مختلف
- ۳ کاربردها
- ۴ نشریات
- ۵ منابع
- ۶ پیوند به بیرون
–
نام
ریشه یونانی کلمه ژئودزی (Geodesy) معنای تقسیم زمین است اما اسم این دانش همچون اسم هندسه (Geo+metry) تنها ریشهی تاریخی این دانش را نشان میدهد و همینطور که از نام این دو دانش مشخص است و با نگاهی تاریخی به این دو دانش میبینیم، علم ژئودزی با علم هندسه یک مهد و خاستگاه تاریخی داشته اند. ژئودزی هم شاخه‌ای از ریاضیات کاربردی و هم شاخه‌ای از علوم زمین محسوب میگردد. تمامی علوم زمین (همچون ژئوفیزیک، جغرافیا، زمین شناسی …) به بررسی مبدا پیدایش انسان یعنی زمین میپردازند و هریک فنون و علمی را برای این امر اختیار مینماید، به عنوان مثال ژئوفیزیک، دانش فیزیک را و ژئوشیمی دانش شیمی را، جغرافیا (Geography) فنون کارتوگرافی را و … و در این بین ژئودزی علمی است که از هندسه برای شناخت مبدا انسان یعنی زمین کمک می‌گیرد، بهتر است بگوییم ژئودزی دانشی است که با چشمان هندسه به زمین مینگرد.
–
شاخه‌های مختلف
ژئودزی شاخه‌های گوناگونی را دار میباشد همچون:
- ژئودزی هندسی (شاخه‌ای که تنها از مشاهدات هندسی برای اهداف ژئودزی استفاده مینماید)
- ژئودزی فیزیکی (شاخه‌ای که از مشاهدات فیزیکی زمین همچون ثقل و جاذبه برای اهداف ژئودزی استفاده مینماید)
- نجوم ژئودزی (شاخه‌ای که از مشاهدات نجومی برای اهداف تعیین موقعیت و ژئودزی استفاده مینماید)
- ژئودزی ماهواره‌ای (شاخه‌ای که از انواع مشاهدات ماهرارهای برای کشف مچهولات هندسی و اهداف ژئودزی استفاده مینماید)
–
کاربردها
- یکی از مهمترین کاربردهای علم ژئودزی تعیین سیستمهای مختصات جهانی و تعیین موقعیت و ناوبری دقیق آنها است، امروزه یکی از مرسومترین روشهای تعیین موقعیت جهانی استفاده از سامانههای موقعیتیاب ماهواره‌ای جهانی مانند GPS می باشد، ژئودزی “دانش هندسهی” به کار رفته در این سیسمهای تعیین موقعیت است، با استفاده از از تئوریهای هندسی موجود در علم ژئودزی امکان بهرهگیری از این سامانههای موقعیتیاب در پروژههای عمرانی وجود دارد.
- یکی از کاربردهای دیگر ژئودزی در بحث تعیین مدار ماهوارهها و پیشبینی موقعیت آنها میباشد. ژئودزی از آن رو که آگاهی بیشتری نسبت به میدان ثقل دارد میتواند امکان تحلیل و بررسی حرکات ماهوارهها در این میدان، برای سایر تخصصهای مرتبط به فناوریهای ماهواره‌ای فراهم آورد.
- یکی از کاربردهای کلاسیک ژئودزی در نقشه‌برداری و تهیه نقشه‌های دقیق از یک مناطق بسیار وسیع نظیر یک کشور یا یک استان میباشد. در این نوع نقشه‌برداری لازم است زمین مسطح فرض نشده بلکه انحناء آن در نظر گرفته میشود به همین جهت محاسبات روی رویههایی فضایی همچون بیضوی شکلی که به جای شکل زمین انتخاب میگردد انجام می‌گیرد.
- کاربرد ژئودزی در مناطق آبی هیدروگرافی نام دارد. هیدروگرافی به عنوان یکی از شاخه‌های مهم ژئودزی امکان تعیین موقعیت و ناوبری در آبها (اقیانوسها، دریاها، دریاچهها و ..) را فراهم میآورد. هیروگرافی با مطالعه هندسی فیزیکی آبها (اقیانوسها، دریاها و …) به بررسی هندسی سطح و بستر آنها میپردازد و برای صنایع مختلف امکان نقشه‌برداری در فعالیتهای عمرانی مرتبط با آبها را به وجود میآورد.
- ژئودزی در شاخه‌های دیکر علوم زمین همچون ژئودینامیک نیز کاربرد فراوان دارد به گونهای امروزه بسیاری از مباحث زئودینامیک خاص علم زئودزی گردیده است. ژئودزی امکان تهیه و پردازش مشاهدات هندسی و فیزیکی را برای اهداف ژئودینامیکی فراهم میآورد در این زمینه میتوان به کاردهای ژئودزی در مباحثی همچون بررسی حرکت گسلها، بررسی جابهجاییهای تکتونیکی، تحلیل جابهجاییهای ناشی از زلزله، بررسی یخچالهای طبیعی، آتشفشانها و … اشاره نمود.
- از دیگر کاربردهای ژئودزی، کاربردهای ژئوفیزیکی آن است. میدان ثقل زمین رابطهی تنگاتنگی با موقعیت و جابهجایی در فضای اطراف زمین دارد از این رو است که در ژئودزی از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. در ژئودزی از دیدگاههای مختلف ریاضی به بررسی این میدان زمین میپردازیم. لذا یکی از کاربردهای تئوریهای ژئودزی در بحث های پردازشهای مشاهدات ثقل برای اهداف اکشافی است. مشاهدات ثقل در مطالعات ژئوفیزیکی میدانهای نفتی و گازی و معادن کاربرد بسیار فراوان دارد.
- زئودزی کاربردهای فراوان دیگری همچون: تعریف سطوح مبنای مختصاتی (مانند: بیضوی مسطحاتی و ژئوئید)، تعیین تغییرات سطح آبهای زیرزمینی، تعیین لایههای اتمسفر (یونسفر، تروپسفر،…) و … را دار میباشد.
۲- ميکروژئودزي
–
مقدمه:
با پیشرفت صنایع و دستاوردهاي عمراني حساسيت ساخت و نگهداري آنها نيز از اهميت فوقالعادهاي برخوردار است. سازههاي عظيم به همان ميزان که در زندگي انسانها مفيد و راهگشا هستند، ميتوانند حوادث جبران ناپذيري ايجاد کنند لذا بحث دقت پيادهسازي طرح، بهرهبرداري و نگهداري از آنها جايگاه خاصي را ميطلبد. اين مسأله تا به آنجا اهميت پيدا ميکند که در پروژه سازههاي عظيم گاهي اوقات فقط براي حفظ دقت و حساسيت از روشها و ابزار اندازهگيري خاصي استفاده مينمايند.
با پيشرفتهايي که در زمينهي اندازهگيري و محاسبات در علم ژئوماتيک و فنون مربوطه صورت پذيرفته، اين علوم توانايي پاسخگويي به دقتهاي مطلوبي که در بسياري صنايع مختلف بدان نيازمندند را دارا ميباشد. يکي از مهمترين اين تکنيکها، ميکروژئودزي ميباشد. ميکروژئودزي يعني ژئودزي در مقياس کوچک يا بهعبارت ديگر تعيين موقعيت سازه و يامنطقهايکوچک بطوريکه اثر کرويت زمين مطرح نميشود، که با اندازهگيريهاي دقيق و محاسبهي انواع تستهاي سرشکني قوي ميتواند با اطمينان خاطر به نيازهاي اين بخش پاسخ گويد.
با توجه به دقت و حساسيت زياد شبکههاي ميکروژئودزي و محدوديتهاي فضاي کارگاههاي آن (معمولاً در محدودهي يک ساختمان يا محدودهي يک سد و … ) اين علم از تکنيکها و ابزار خاصي براي اجراي پروژهها استفاده مينمايد که بسته به نوع کاربرد اين ابزار ميتواند متفاوت باشد.
موقعيت و شکل هر سازهاي به مرور زمان تغيير مييابد. مانند پلها که در اثر عبور ماشينهاي سنگين، سدها در اثر نيروي فشار آب که به ديواره آنها وارد ميشود يا در حفاريها و تخليه منابع زير زميني که باعث نشست زمين در راستاي قائم ميشود، تغيير شکل مييابند.
فشار وارد بر سازهها را Stress و تغيير شکل در اثر نيروي وارد به آن را Strain گويند. رفتار جسم در مقابل Stress به دو صورت است:
- الاستيک: که بعد از برداشته شدن نيرو جسم به حالت اول باز ميگردد.
- پلاستيک: که با برداشته شدن نيرو جسم قابليت بازگشت به حالت اول را ندارد.
٭رفتار زمين در مقابل Stress ، الاستوپلاستيک است.
در واقع سه پارامتر Stress ، Strain و مقاومت جسم در مقابل نيرو در تعامل با يکديگر هستند. اگر دو کميت از اين کميتها معلوم باشد، کميت سوم قابل پيشبيني است.
ارزيابي تغيير شکل و بدستآوردن آن ( Strain) ، يکي از اهداف ميکروژئودزي است.
–
شبکه ميکروژئودزي:
يک شبکه ميکروژئودزي محلي با دقت بالا که با هدف پيادهسازي نقاط يک سازه مهندسي و يا آشکارسازي تغيير شکل، طراحي و اجرا ميشود داراي دقت بالايي در مختصات نقاط شبکه ميباشد.
طراحي، اجرا و محاسبات شبکههاي ميکروژئودزي از موضوعات بسيار جذاب و مورد علاقه علم ژئوماتيک ميباشد. پروژهها و طرحهاي مختلفي نيز در اين راستا در کشور انجام گرديده و يا در حال اجرا ميباشد که ميتوان به موارد زير اشاره نمود:
- مطالعات آشکارسازي حرکات برج ميلاد
- پروژه ميکروژئودزي تأسيسات هستهاي نيروگاه بوشهر
- طرح کنترل و رفتارسنجي سد کارون۳
- طرح کنترل و رفتارسنجي سد ماکو
علاوه بر کنترل سازههاي عمراني و حساس، شبکههاي ژئودتيکي در تعيين جابجايي و تغيير شکل پديدههاي طبيعي پوستهي زمين در مناطقي که از نظر ژئوديناميکي فعال است، نيز کاربرد وسيعي دارد که ميتوان به پديدههايي نظير حرکات صفحات تکتونيکي، تأثيرات جزرومدي بر پوستهي زمين، بارگذاري پوستهاي، گسلها و آتشفشانها اشاره نمود.
–
مراحل ايجاد يک شبکه ميکروژئودزي:
يک شبکه ميکروژئودزي حالت خاصي از يک شبکه ژئودزي است، که ايجاد آن سه مرحله اصلي دارد:
- طراحي
- اجرا
- محاسبات شبکه
مشاهدات معمول در شبکههاي ميکروژئودزي:
براي دستيابي به ويژگي خاص اين شبکهها (تعيين مؤلفههاي مختصات با يک دقت مطلوب که اين دقت با توجه به هدف حدي دارد) نيازمند انجام مشاهدات با دقتي برابر دقت ارزيابي شده در مراحل طراحي شبکه ميباشد.
انواع مشاهدات معمول مورد استفاده در شبکههاي ميکروژئودزي:
مشاهدهي طول توسط طوليابهاي الکترونيکي (مشاهدة نسبي)
مشاهدهي امتدادهاي افقي(مشاهدة نسبي)
مشاهدهي امتدادهاي قائم(مشاهدة نسبي)
مشاهدات ماهوارهاي(مشاهدات نسبي و مطلق)
–
در مجموع شبکه های کنترل (میکروژئودزی) دارای دو پتانسیل زیر میباشد:
- ایجاد یک زیر بنا و اساس مطمئن ، دقیق و قابل اطمینان برای انجام اندازه گیری های دقیق نقشه برداری ، مانند تهیه نقشه توپوگرافی دقیق ، پیاده نمودن پروژه های دقیق مانند سد، تونل، پل، اسکله و سازه های که نیاز به دقت بالای هندسی در پیاده شدن اجزای خود دارند.
- 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 شبکه ها مورد استفاده واقع میگردد و آنالیزهای پیچیده و سنگین بر روی مشاهدات ضرورتی ندارد در حالیکه برای یک شبکه کنترل (شبکه های 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 هزینه ها 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 می توان در چهار جمله کوتاه زیر خلاصه نمود:
- دقت (Precision)
- اعتماد پذیری (Reliability)
- هزینه (Evpense)
- حساسیت (Sensibility)
–
به طور کلی هدف نهایی طراحی شبکه به صورت زیر خلاصه می شود:
بهینه واقتصادی =(حساسیت) + (هزینه) + (اعتماد پذیری) + (دقت)
–
کاربرد شبکه های ژئودزی
– تهیه نقشه Mapping : مهمترین و اصلی ترین کاربرد شبکه های 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 ها و …
همانگونه که در بالا توضیح داده شد شبکه های میکروژئودزی حالت خاصی از یک شبکه ژئودزی موضعی یا محلی می باشند که در آن موقعیت نقاط شبکه با دقت بسیار بالایی تعیین می گردد.
شبکه های 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 شبکه های میکروژئودزی نیاز به طی سه مرحله اصلی ذیل می باشد :
- طراحی design
- اجرا
- محاسبات شبکه
–
تحلیل اولیه
در این بخش ابتدا با 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 اندازه گیری 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 می شود. بر اساس یک تعریف کلی از ژئودزین مشهور آقای گرافارند هرشبک دارای چهار مرحله طراحی است :
–
طراحی مرتبه صفر Order Design Zero U.T.M
این مرحله را با نام مرحله انتخاب سطح مرجع برای مختصات ها نیز می شناسند.
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 رایانه ها جهت سهولت)از معادلات پارامتریک استفاده می گردد.
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.
–
تبدیلات Transformation
از آنجائیکه بیضوی بین المللی WGS 84 که ابعاد آن بوسیله ماهواره ها تعیین شده و در سطح جهانی به شکل زمین بسیار نزدیک می باشد عملا جایگزین بیضوی بین المللی هایفورد ۱۹۲۴ که کلیه نقاط ژئودزی کشور ایران روی آن محاسبه شده است و از طرفی مختصات بدست آمده از گیرنده های ماهواره های GPS در سیستم WGS84 عمل می کنند، بدین لحاظ دفتر محاسبات فنی تصمیم گرفت که شبکه ژئودزی ماهواره ای را روی دو بیضوی فوق محاسبه کند و با استفاده از این دو مجموعه مختصات که درسطح کشور پراکنده است ضرایب ترانسفورماسیون از یک بیضوی به بیضوی دیگر را محاسبه و در اختیاراستفاده کنندگان قرار دهد و استفاده کننده بنا بر نیاز خود سیستم مختصات را انتخاب نماید و در صورت نیاز براحتی بتواند تغییر سیستم مختصات دهد.
برای این کار نرم افزاری نوشته شد که می تواند دو سیستم مختصات ژئودزی با بیضوی های مختلف را که حداقل دارای سه نقطه مشترک باشند را با روش تعیین ۷ پارامتر ترانسفرماسیون در فضای سه بعدی به یکدیگر تبدیل و سپس آنرا به سیستم تصویر مورد دلخواه ببرد
لذا با داشتن دو مجموعه مختصات
- مجموعه ۲۴۲ نقطه ژئودزی دارای مختصات جغرافیایی روی بیضوی بین المللی WGS84
- مجموعه ۲۴۲ نقطه ژئودزی دارای مختصات جغرافیایی روی بیضوی بین المللی هایفورد ۱۹۲۴
مراحل تبدیل دو سیستم مختصات به یکدیگر به ترتیب زیر انجام گرفت:
تبدیل مختصات جغرافیایی هر دو سیستم به مختصات ژئوسنتریک ( X,Y,Z )
- تعیین هفت پارامتر ترانسفورماسیون ( سه مولفه انتقال ، سه مولفه دوران و ضریب مقیاس )
- محاسبه مختصات ژئوسنتریک سیستم جدید با توجه به هفت پارامتر بدست آمده
- محاسبه باقیمانده ها در سیستم ژئوسنتریک و بررسی وضعیت ترانسفورماسیون
- تبدیل مختصات ژئوسنتریک سیستم جدید به سیستم جغرافیایی مربوط به خود
- محاسبه باقیمانده در سیستم مختصات جغرافیایی
- تبدیل سیستم مختصات جغرافیایی به مختصات سیستم تصویر