Ugrás a tartalomhoz

Geodéziai hálózatok 5., GNSS hálózatok, GNSS technológiával végzett alappontsűrítés

Dr. Busics György (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

5.5 A statikus mérésen alapuló alappontsűrítés általános munkafolyamata

5.5 A statikus mérésen alapuló alappontsűrítés általános munkafolyamata

A pontsűrítés klasszikus munkaszakaszai (ezeket követjük e jegyzet 3. és 4. fejezetében) a következők: irodai előkészítés→helyszíni előkészítés→állandósítás→mérés→számítás→zárómunkák. A továbbiakban feltételezzük, hogy az alappontsűrítést relatív statikus módszerrel, hálózat-szerű elrendezéssel, kettőnél több vevővel végezzük, így mérési ütemtervet is készítünk. A statikus GPS-es pontmeghatározás következőkben bemutatott idealizált menete az elérendő cél, a pontosság, a technológia, az alkalmazott vevő és szoftver típusától függően a gyakorlatban módosulhat.

Az irodai előkészítés során beszerezzük a munkaterületre eső meglévő vízszintes és magassági alappontok pontvázlatát és pontleírásait. A pontok helyének kiválasztásához jó segítséget nyújthatnak a topográfiai térképek. A GPS-szel mérendő pontok helyének kiválasztását mind az irodai tervezés, mind a terepbejárás során a következő szempontok szerint célszerű végezni, amely egyben fontossági sorrend is:

  • Jó kilátás legyen az égboltra. A zavarmentes kilátás 15-20 foknál nagyobb magassági szög fölött legyen biztosított.

  • A pont gépkocsival könnyen megközelíthető legyen. A pont gyors megközelíthetősége csökkenti a periódusok közötti átállási időt, ezáltal növeli a gazdaságosságot. A későbbi felhasználhatóság szempontjából is kedvező, ha a pont bármilyen időjárási körülmények között műúton elérhető. A pont közelében a parkolási lehetőség lehetővé teszi a vevőberendezés (ellenőrző egység) gépkocsiban való elhelyezését, így a gépkocsiból történő észlelést.

  • A pontjel fennmaradása biztosított legyen. Különösen mozgásvizsgálati és országos alaphálózatok esetében fontos, hogy a pontjel fizikailag hosszú időtávon létezzen. Az alappontsűrítés céljától függően ez a szempont veszíthet jelentőségéből.

  • A pont lehetőleg közterületen legyen. Ez a szempont is a pont elérhetőségét, a mérés elvégezhetőségét szolgálja. A zárt területek, különleges rendeltetésű ingatlanok, az olyan területek, ahova a bejutás fizikailag korlátozott, kerülendők.

  • Alappontsűrítésnél a tájékozó irányok mérhetőségét, a felmérési cél elérését is biztosítani kell, be kell tartani az előírt pontsűrűséget és az adott pontokhoz való csatlakozás követelményeit.

Érdemes ún. kitűzési vázlatot előkészíteni, amelyet a helyszíni bejárás után meghatározási tervvé alakítunk és a mérési ütemterv részének tekintünk.

A terepi előkészítés során az előző pontban leírt szempontok alapján döntünk a pont végleges helyéről. Ha nem meglévő, hanem újra állandósítandó pontról van szó, a kiválasztott ponthelyet fakaróval megjelöljük. A kitűzésről a helyszínen kitűzési jegyzőkönyvet vezetünk – amely lehet egy kis füzet –, oldalanként a következő adatokkal.

  • Pontszám.

  • Látható tájékozó irányok pontszáma.

  • A zavarmentes kilátást esetleg akadályozó körülmények felsorolása vázlattal.

  • Tartósan zavart kilátás (pl. erdő vagy beépített környezet esetén) hosszabbított antennatartó rúd, vagy teleszkópos antennakiemelő szerkezet használata jöhet szóba. A szükséges kiemelés (antennamagasság) becsült értékét beírjuk a jegyzőkönyvbe.

5-21. ábra. A kitakarási ábra méréséhez, szerkesztéséhez szükséges adatok

Kisebb zavaró tárgyak (például fák, épületek, táblák, tornyok, oszlopok...) esetén úgynevezett kitakarási ábrát rajzolunk a kitűzési jegyzőkönyvbe (5.21. ábra). Az álláspontról nézve a kitakarást okozó felületet (az ábrán egy fát) téglalapként kezelve, tájolóval meghatározzuk e téglalap két szélének azimutját (A1, A2) és tetejének magassági szögét (α1). A magassági szög meghatározható a zavaró tárgy és a feltételezett antennatető közötti magasságkülönbség (Δh), valamint a kettő közti vízszintes távolság (t) mérésével vagy becslésével. Előre elkészített nyomtatványon a zavaró tárgyak berajzolhatók. A kitakarási ábra adatai busszolás teodolittal vagy tájékozás alapján teodolittal is meghatározhatók, fok élességgel leolvasva az irányértékeket és zenitszögeket. Halszemobjektíves digitális fényképezőgéppel, zenitkameraként gyorsan elkészíthető a zavaró tárgyakat is ábrázoló égbolt felvétele. (A Nyugat-magyarországi Egyetem Földmérési és Távérzékelési Tanszékén kutatási munka keretében kalibrált zenitfelvételek készítésével is foglalkoznak).

Fel kell jegyezni a hullámterjedésre kedvezőtlen tényezőket, például a közelben lévő nagyteljesítményű rádióadókat, magasfeszültségű vezetékeket, egy közeli kamionparkolót, vagy más, nagy felületű fémtárgyat, amely hullám-visszaverődést (többutas terjedést) okozhat.

Hagyományos pontleírást, esetleg fotókat készítünk a helyszínről. A digitális képek jól használhatók a pont megközelítéséhez, azonosításához. A pont megközelítésének megkönnyítése céljából az elérési útvonalat tartalmazó térképvázlatot és esetleg szöveges leírást készítünk. Az elérési útvonal-vázlat megléte a későbbi gyors pontfelkeresés érdekében fontos, ha nem a kitűző személy végzi az észlelést.

Az alappontok állandósítását a rendűségüknek és rendeltetésüknek megfelelően végezzük el. A mozgásvizsgálati programoknál az állandósítást különleges igényességgel végezzük. Az esetleges pontvédő betonoszlopokat úgy kell elhelyezni, hogy takarást ne okozzanak. Az állandósításról bővebben a 3. fejezetben lesz szó. Itt is felhívjuk a figyelmet arra, hogy az OGPSH pontok fejelőkövét ki kell emelni, mert a GPS-mérést az eredeti anyaponton kell végezni.

Az előkészítésnek a klasszikustól eltérő eleme a mérési ütemterv készítése. A mérési ütemterv olyan logisztikai menetrend, amely azt tartalmazza, hogy ki (melyik észlelő, mely vevővel), mikor (melyik mérési periódusban), hol (mely állásponton) végezzen GPS mérést. A mérési ütemterv célja a pontossági kívánalomnak megfelelő, egyidejű mérések biztosítása a kampányban részt vevő személyek és eszközök optimális mozgatása és munkaszervezése mellett.

5-22. ábra. Észlelési ablakok jelölése vonalkázással. Feltételek: műholdak száma>6; GDOP<6; minimális periódusidő 20 perc; munkaidő 12-18 óra között

A mérési ütemterv elkészítését a feldolgozó szoftver tervező modulja segíti: először az ún. észlelési ablakokat választjuk ki. Az észlelési ablak a konkrét naptári naphoz kötött azon időintervallumokat jelenti, amikor a mérési feltételek megfelelők. A mérési feltételeket a mérés célja, módszere alapján határozzuk meg (5.22. ábra), figyelemmel a vektor minkét végpontjának együttes kitakarására. Az észlelési ablakok kiválasztásakor figyelembe vehető feltételek:

  • Az észlelelésre tervezett műholdak minimális darabszáma. A gyors statikus méréseknél például 5-6 holdat kívánunk észlelni. A NAVSTAR műholdas rendszer teljes kiépítése esetén ez általában teljesül, de a ’90-es évek elején például (vagy az amerikai rendszertől eltérő rendszereknél) naponta több időszakban csak 2-4 műhold volt észlelhető.

  • Kedvező műholdgeometria. Megadjuk a DOP maximális értékét. Általában törekszünk a GDOP<4 helyzet elérésére.

Az előző két feltételnek a kitakarás figyelembevételével is teljesülni kell. Teljesen kiépített műholdas rendszer esetén rendszerint a takarás az oka, hogy a lehetséges, ideális számú vagy geometriájú holdat nem tudjuk észlelni. A sky-plot ábrán ezért ábrázolni kell a terepen meghatározott kitakarást, amit a tervező szoftverek mindegyike támogat. Az így elkészített kitakarási ábrán úgy kell az időintervallumot megállapítani, hogy a fenti feltételek teljesüljenek. Ezzel nyilván csökken az észlelési ablakok időintervalluma.

Az észlelési ablak kiválasztását követően jön a tényleges mérési periódusok meghatározása, nyilvánvalóan az észlelési ablakokon belül. Itt számos további szempontot kell figyelembe venni: a kívánt pontosságot, a minimális, illetve az ajánlott periódusidőt, a bázis hosszát, a vevők számát és típusát, az útviszonyokat és gépjárműveket, az átállási időszükségletet... Erre vonatkozóan tapasztalatokat kell szerezni, ajánlásokat a szakirodalomban találunk. Az elkészült mérési ütemterv táblázatban, vevő-berendezésenként (személyenként) tünteti fel, hogy az egyes rögzített időtartamú mérési periódusokban mely álláspontokon kell mérni. Kisebb munkaterületen, kevés műszer esetén az előkészítés egyes lépései, vagy akár a mérési ütemterv elhagyhatók, tervezés nélküli mérésre is sor kerülhet. Az észlelések egyidejűségéről azonban ilyenkor is gondoskodni kell, akár előzetes megbeszélés alapján, akár rádiókapcsolat útján, folyamatos kapcsolattartással. Poláris elrendezésnél a folyamatosan üzemelő referenciavevő biztosítja az egyidejű mérést valamennyi vevővel.

5-23. ábra. Halszemobjektíves felvétel és sky-plot ábra kitakarással (Székesfehérvár, Budai úti könyvtár előtt)

A geodéziai vevők alkalmasak az előre programozott mérés (pre-planned survey, timer mission) végrehajtására. Az előre programozott műszer akár felügyelet nélkül, "alvó állapotból felébredve" is elvégzi a mérést, majd annak végeztével kikapcsol – erre természetesen csak megfelelő áramellátás mellett, őrzött helyeken lévő pontoknál van lehetőség.

A mérés gyakorlati végrehajtása

A tényleges mérés előtt nagy gondosságot és figyelmet kíván a műszerfelszerelés összeállítása és megfelelő előkészítése. Az előkészítés részeként meghatározzuk a GPS-vevő mérési paramétereit (configuration set), és azokat a műszer vezérlőegységében (controller) beállítjuk. A legfontosabb beállítandó mérési paraméterek a következők:

  • a mérés típusa: statikus vagy kinematikus. Jelen esetben statikus méréstípust kell beállítani;

  • az adatrögzítési időköz: ennek minden egyes, a mérési kampányban részt vevő műszernél azonosnak kell lennie. Az adatrögzítési időköz szokásos értéke gyors statikus méréseknél általában 10 vagy 15 másodperc, több napos geodinamikai kampányokban inkább 30 másodperc;

  • a legkisebb magassági szög, ami alatt nem kívánunk adatokat rögzíteni: ez rendszerint 10º vagy 15º. A 10º-os érték a gyors statikus méréseknél kedvezőbb, mert a 10º és 15º közötti műholdak mérése gyorsabban és biztonságosabban kiértékelhetővé teszi a mérést;

  • az antenna típusa és az antennamagasság meghatározásának módja;

  • a pontszámozás típusa, növekménye;

  • a pontjellemzők (attribútum-adatok) megadása, kiválasztásuk módja, stb.

A műszer biztonságos kezelésének, a mérés előírás szerinti végrehajtásának fontos feltétele a műszer kezelési kézikönyvének gondos tanulmányozása. Lényeges feladat a kiegészítő műszerfelszerelés, így az optikai vetítő, a libellák és más segédfelszerelések helyes összeállítása, igazítottságuk, illetve helyes beállításuk ellenőrzése. A GPS-mérés során elkövethető egyik leggyakoribb hibát az okozza, hogy a segédfelszerelés (libella, optikai vetítő) nem igazított.

Magának a mérésnek a végrehajtása – mivel a mérés folyamata automatikus – igen egyszerű. A mérőfelszereléssel (feltöltött akkumulátorral) felkeressük a pontot. Hagyományos statikus mérés esetén, tekintettel a mérési periódus kezdetének rögzített időpontjára, fontos, hogy időben érkezzünk. Felállítjuk az antennát a ponton. A pontraálláshoz vagy műszerállványt használunk optikai vetítővel, vagy pillérállványt, vagy pedig gyorsan felállítható kitámasztó állványt. A mozgásvizsgálati méréseknél indokolt a kényszerközpontos antennaelhelyezés. A pontraállás hibái – a hagyományos mérésekhez hasonlóan – nem javíthatók.

5-24. Antennamagasság mérése (balra: Trimble tányérantenna széléhez illeszthető mérőpálcával, ferdén; jobbra: Leica csúcsba illeszthető kampós szalaggal, függőlegesen)

A Leica antennáknál ezért a Wild-típusú műszertalpba akasztható kampós mérőszalagot használnak, amelyhez egy – antennatípustól függő – magassági külpontosság (height reading offset) tartozik. A Trimble cég régebbi tányérantennájának pereméhez több helyen egy mérőpálca illeszthető, amellyel ferde antennamagasság olvasható le, ami az antennasugár ismeretében függőlegesre redukálható (5.24. ábra). A gyors statikus méréseket megkönnyítő antennatartó rudak és kitámasztó szerkezetek elvileg egyszerűsítik az antennamagasság meghatározását, mert csak a megfelelő antenna- és rúdtípust kell kiválasztani. Ez a kiválasztás azonban fokozott figyelmet kíván. A pillérállványon vagy adapteren elhelyezett antenna magasságának meghatározása is nagy gondosságot igényel.

Hosszú bázisok, nagy magasságkülönbségek esetén meteorológiai adatokat (légnyomás, hőmérséklet, páratartalom) is mérünk meghatározott időközönként. Hosszabb periódus esetén mérés közben ajánlatos ellenőrizni a tápellátás folyamatosságát. Hasznos, ha a mérést végző észlelők között rádiókapcsolat létesíthető.

A számítás munkaszakasza. A GPS mérések feldolgozása lényegében három részre bontható: a vektorszámításra, a hálózatkiegyenlítésre és a transzformációra. Ezeket a 4. fejezetben jellemeztük, most csak néhány kiegészítést fűzünk hozzá.

A vektorfeldolgozásnál alapvető kérdés, milyen paraméterek garantálhatják egy-egy vektor “jóságát”? Mindenekelőtt a fázis-többértelműség egész számként történő meghatározása (fix solution, ambiquity yes). Mivel a felmérési hálózatoknál rendesen 10 km-nél rövidebb vektorokat mérünk, ez feltétele kell, hogy legyen a vektor elfogadhatóságának. Ha nem teljesülne ez a feltétel, akkor még próbálkozhatunk a vektor "megmentésével". A fix megoldást a feldolgozó programok statisztikai próbákhoz kötik, ahol a nullhipotézis például az, hogy a kapott megoldás középhibája kisebb egy apriori értéknél, vagy a fix megoldás és a float megoldás aránya jó. A másik paraméter, ami vizsgálható, az a vektor-összetevők középhibája (varianciája). Tudnunk kell, hogy ez a mérési eredmények (kettős különbségek) szórásából számítható, ún. belső középhiba, ami a külső körülmények (pl. ionoszféra) jelentős hatása miatt nem a valódi helyzetet tükrözi. Különösen a túl rövid mérési idő esetén vezethet téves következtetésre, ha csak a középhibát vizsgáljuk. A variancia akkor is nagy értékű lesz, ha zajosak voltak a mérési körülmények, pl. rezgett az antennatartó rúd (erős szélben vagy antennakiemelő szerkezet alkalmazásakor). Harmadik vizsgálható paraméternek tekinthető még az első „legjobb” megoldás és a második „legjobb” megoldás középhibái közötti arányszám (“ratio”). Ajánlatos, hogy ez az arányszám viszonylag nagy legyen (3-nál nagyobb), de a konkrét érték a szoftvertől is függ.

A térbeli (ETRS89 koordináták számításánál akkor járunk el helyesen, ha térbeli hálózatkiegyenlítést végzünk. Akkor is így járjunk el, ha több adott pont van, de akkor is, ha csak egy referencia van, viszont hálózat-szerű volt a mérés lebonyolítása. A kiegyenlítés feltétele a durva hibák előzetes kiszűrése. Ebben a többször mért vektorok összehasonlítása, a vektor-sokszög záróhibáknak a számítása, a többször mért, vagy a több adott pontról mért új pontok előzetes koordinátáinak egybevetése segíthet. Tájékoztatásul az új pont ponthibájára vonatkozó lehetséges hibahatár 26 mm, míg a közepes ponthibára 15 mm. Természetesen a térbeli hálózatnál is alapkövetelmény, hogy megfelelő számú fölös mérés (vektor) legyen a hálózatban.

A GPS-szel mért EOV koordináták számítására leggyakrabban a hétparaméteres térbeli hasonlósági transzformációt használjuk, vagy saját magunk által meghatározott lokális paraméterekkel, vagy az EHT programmal. Nagytömegű pontsűrítésnél indokolt, hogy a munkaterületen található és GPS mérésre alkalmas országos vízszintes alappontokat ne csak a GPS mérésbe, hanem a GPS-EOV transzformációba is bevonjuk. Ezzel elérhető az adott területen a legjobb összhang a két vonatkoztatási rendszer között. Tájékoztatásul: a munkaterületet körbevevő, minimálisan négy közös pontra a maradék ellentmondásokból számított vízszintes értelmű középhiba legfeljebb 45 mm lehet.

A zárómunkák során többek között a mérés és számítás dokumentációját, az ún. munkarészeket állítjuk össze. A GPS munkarészek többségére elektronikus formában van szükség, ugyanakkor a végeredményt, és az elfogadási kritériummal szabályozott adatokat nyomtatott formában is megkívánjuk. A következő munkarészek elkészítése kívánatos:

  • Műszaki leírás. A feladat, az alkalmazott technológia rövid leírása, kitérve a mérés és feldolgozás körülményeire.

  • Vektorkiértékelés naplófájl. Tartalmaznia kell legalább a következő adatokat: a kiértékelt vektor kezdő- és végpontjának azonosítója, a mérés kezdő és záró időpontja (vagy időtartama), a vektor-összetevők és kovariancia elemek. Utalni kell a megoldás fix vagy float jellegére.

  • Meghatározási vázlat. Méretarányos (vagy léptéket is tartalmazó) ábrán mutatja a felhasznált adott pontokat, az új pontokat és a számított vektorokat. Poláris elrendezés esetén készíthető referenciapontonként külön-külön is. Ha túlzsúfolt lenne az ábra, akkor a vázlat helyettesíthető a mérések időbeli lefolyását bemutató grafikonnal (idődiagram, Gannt diagram). Hálózatkiegyenlítés esetén a meghatározási vázlat a kiegyenlítésbe bevont összes vektort, valamint az adott és új pontokat tartalmazza.

  • Térbeli kiegyenlítés jegyzőkönyve. Az adott pontok koordinátáit, az új pontok kiegyenlített koordinátáit, középhibáit, a számításba bevont vektorokat tartalmazza.

  • Transzformációs jegyzőkönyv. Tartalma: a közös pontok azonosítói, a transzformáció jellege és a maradék ellentmondások (külön vízszintes és magassági értelemben).

  • Transzformációs vázlat. A közös pontok elhelyezkedése méretarányos (vagy léptéket is tartalmazó) vázlaton, lehetőleg a munkaterület körvonalával kiegészítve.

  • Koordináta-jegyzék (ETRS89). A felhasznált pontok, majd az új pontok számát, jellegét és ETRS89 koordinátáit tartalmazza számsorrendben, (X, Y, Z) vagy (φ, λ, h) formában.

  • Koordináta-jegyzék (EOV/EOMA). A felhasznált pontok, majd az új pontok számát, jellegét EOV koordinátáit (y, x) és Balti magasságát (M) tartalmazza számsorrendben.

  • Ellenőrzési jegyzőkönyv. Tartalmazza az eredeti koordinátákat (vagy az azokból számított adatokat), a vizsgálati adatokat, az eltéréseket és a hibahatárt.

  • Nyers mérési adatok, RINEX formátumban.

A fölös számú adatok minden feldolgozási fázisban lehetőséget adnak az eredmények ellenőrzésére, minősítésére. A legbiztosabb módja az ellenőrzésnek mégis az, ha külső úton, a GPS-től független módon győződünk meg az eredmény pontosságáról. Ilyen külső ellenőrzés lehet az új pontokon végzett tájékozás, az új pontok közötti távolság vagy magasságkülönbség földi úton történő megmérése, a pontok egy részének földi módszerrel való meghatározása.

Végül megjegyezzük, hogy a GNSS vevők és GNSS infrastruktúra fejlődése következtében a statikus mérés egyre inkább háttérbe szorul a geodéziai pontmeghatározások során, helyét a kinematikus és real-time módszerek, köztük is elsősorban a hálózatos RTK veszik át.