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:

1. الاستيک: که بعد از برداشته شدن نيرو جسم به حالت اول باز مي­گردد.
2. 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:

1. طراحي
2.  اجرا
3. 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:

1. 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.
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 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:

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)

–

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 :

1. طراحی design
2. اجرا
3. 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

1. مجموعه ۲۴۲ نقطه ژئودزی دارای مختصات جغرافیایی روی بیضوی بین المللی WGS84
2. 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 )

1. تعیین هفت پارامتر ترانسفورماسیون ( سه مولفه انتقال ، سه مولفه دوران و ضریب مقیاس )
2. محاسبه مختصات ژئوسنتریک سیستم جدید با توجه به هفت پارامتر بدست آمده
3. محاسبه باقیمانده ها در سیستم ژئوسنتریک و بررسی وضعیت ترانسفورماسیون
4. تبدیل مختصات ژئوسنتریک سیستم جدید به سیستم جغرافیایی مربوط به خود
5. محاسبه باقیمانده در سیستم مختصات جغرافیایی
6. تبدیل سیستم مختصات جغرافیایی به مختصات سیستم تصویر