افزایش دقت ارتفاعی توتال استیشن

برداشت ارتفاعی توتال استیشن

افزایش دقت ارتفاعی توتال استیشن روشی کاربردی جهت ترازیابی توسط توتال استیشن می باشد. مقایسه دقت تراز یابی مثلثاتی و هندسی در دوربین ترازیاب و توتال استیشن و ارئه روش کاربردی جهت ترازیابی با توتال استیشن در این مقاله بررسی می شود. با استفاده از توتال استیشن می توان به دقت بالایی رسید و تعیین ارتفاع دقیق انجام داد.در نتیجه می توان توتال استیشن را تا حدودی در برخی پروژه ها با قابلیت های  فراوان تر جایگزین ترازیاب نمود.

توجه داشته باشید ترازیابی هندسی به دلیل این که مشاهدات به صورت مستقیم  تهیه میگردد دارای ضریب اطمینان بیشتری نسبت به ترازیابی مثلثاتی است و در کارهای بسیار دقیق می توان به آن استناد کرد.

تاریخچه پیدایش ترازیاب و زاویه یاب

در فعالیت‌های مهندسی جهت تعیین موقعیت سه‌بعدی اجسام، تصاویر آن‌ها را در صفحات افقی و قائم ترسیم می‌کنند و با مشخص بودن موقعیت در صفحات افقی و قائم، وضعیتشان را در فضای سه‌بعدی متوجه می‌شوند. لذا دستگاه‌های اندازه‌گیری نقشه‌برداری باید قابلیت این را داشته باشند که زوایایی را در صفحات افقی و قائم اندازه‌گیری کنند و نخستین شرط برای اجرای این کار، ایجاد صفحات افقی و قائم در فضا است.

از ابتدایی‌ترین وسایلی که به منظور ایجاد یک صفحه‌ی افقی مورد استفاده قرار گرفت، «تراز آبی» بود. این وسیله که با توجه به فشار یکسان هوا ساخته شد، دارای ساختمان ساده‌ای بود و از جمله ابزاری به شمار می‌رفت که در گذشه ایرانیان برای احداث قنات و استخراج آب‌های سطح‌الارضی از آن استفاده می‌کردند.

در اوایل قرن پنجم هجری، مهندس برجسته‌ی ایرانی با نام کرجی که از اهالی کرج و حوالی ساوه‌ی کنونی بود، در کتاب با ارزش خود تحت عنوان «استخراج آب‌های پنهانی» برخی ابزار نقشه‌برداری را معرفی نمود که توسط خودش اختراع گردیده بود و منشأ وسایل نقشه‌برداری امروزی بوده است.

تراز آبی یک لوله دو سر باز از جنس چوب با نی بود که در وسط آن روزنه‌ای برای ریختن آب تعبیه گردیده و به کمک یک ریسمان محکم به حالت آویزان قرار می‌گرفت و کاربرد آن ایجاد یک سطح افقی یا تعیین اختلاف دو نقطه بود.

نحوه‌ی کار این تراز بدین صورت بود که در روی دو نقطه‌ای که می‌خواستند اختلاف ارتفاع آن‌ها را مشخص کنند، دو قطعه چوبی مدرج بلند به طول‌های مساوی را قرار داده سپس ریسمانی که تراز آبی به آن اتصال یافته را بین دو قطعه چوب می‌کشیدند و شخص سومی در وسط ریسمان ایستاده و مقداری آب به داخل تراز آبی می‌ریخت. در صورتی که آب از دو سوراخ طرفین به یک میزان خارج نمی‌گردید، سر ریسمان که بالاتر قرار گرفته بود را آن‌قدر پایین می‌آوردند که آب به یک مقدار از دو طرف خارج گردد. در چنینی حالتی، ریسمان بین دو نقطه واقع می‌شد و طول بین سر قطعه چوبی و ریسمان، اختلاف سطح دو نقطه را نمایش می‌داد.

جهت تعیین اختلاف ارتفاع دو نقطه که فاصله‌ی بینشان از طول ریسمان بیشتر بود، به ناچار عمل فوق را چندین مرتبه تکرار می‌کردند.

به دلیل اینکه ریختن آب در داخل لوله نیاز صرف وقت زیاد و به همراه داشتن ظرفی پر از آب نیاز داشت، در سال‌های بعد این تراز از جنس شیشه ساخته شد تا دو سر آن بسته باشد و سطح افقی آب قابل ملاحظه گردد.

تراز آبی دو سر بسته‌ای که مردم ایران در گذشته‌های خیلی دور استفاده می‌کردند، با ترازهای امروزی تفاوت‌هایی دارد. لوله ترازهای امروزی به طور کامل بسته است اما نه تنها مسطح نیست بلکه دارای انحنای مشخصی هم می‌باشد و حباب هوا در صورت اسقرار افقی دو سر لوله تراز، دقیقاً در وسط آن و بین دو خط یا دایره‌ای که روی سطح شیشه حک شده قرار می‌گیرد.

الف- تراز دوربینی ساده:

در این حالت، تراز از صفحه‌ی گرد یا چهارگوشه‌ای از برنج یا چوب سخت، تشکیل شده است و در وسط صفحه نیز سوراخی قرار دارد.

یک لوله‌ی برنجی به ابعاد ۵/۱ وجب (تقریبا ۴۰ سانتی‌متر) که دارای راستی و محکمی زیادی می‌باشد، در نظر گرفته می‌شود. سوراخ ریزی در لوله وجود دارد که قطر آن در حدود ۲ تا ۳ میلی‌متر (به اندازه قطر سوزن جوال دوز) می‌باشد. این لوله در وسط صفحه‌ی تراز با محور قابل دوران نصب می‌گردد. طول لوله را می‌توان کمی بیشتر از قطر صفحه‌ی مدور انتخاب کرد. یک رزه یا حلقه هم در صفحه وجود دارد که به منظور آویختن تراز به کار می‌رود.

در ادامه یک پایه‌ی چوبی نیز انتخاب می‌شود که کاملاً تخت و مسطح می‌باشد و به یک انتهای آن، میخی سرشکافته متصل شده است. صفحه‌ی تراز به وسیله‌ی حلقه یا زنجیر از این میخ آویزان می‌شود. طول پایه‌ی چوبی در حدود ۱ متر (۴ وجب) است. البته طول پایه بایستی به حدی باشد که زمانی که نقشه‌بردار بر زانویش می‌نشیند چشمش در امتداد سوراخ لوله‌ی واقع بر صفحه قرار گیرد؛ بنابراین پایه‌ی چوبی می‌تواند مقداری بلندتر یا کوتاه‌تر در نظر گرفته شود.

ب – تراز دوربینی مدرج:

اوج نبوغ کرجی را باید در اختراع و استفاده‌ی ترازی دانست که می‌توان به آن تراز دوربینی مدرج گفت. در واقع تنها تراز قدیمی که شایستگی عنوان نسل اول دوربین‌های تلسکوپی امروز را دارد، همین تراز کرجی است. این نوع تراز مشابه با تراز قبلی است با این تفاوت که میزان زاویه‌ی شیب را نیز محاسبه می‌کرده است.

در سالیان بعد، کارخانه‌های تولید کننده‌ی وسایل نقشه‌برداری با تعبیه یک یا دو عدد تراز در کنار دوربین، این شرایط را به‌وجود آوردند که زمانی که حباب تراز در وسط قرار دارد محور نشانه‌روی دوربین نیز افقی گردد و بدین صورت با حرکت سمتی محور نشانه‌روی، یک سطح افقی در فضا ایجاد شده که به وسیله‌ی آن اختلاف ارتفاع دو نقطه اندازه‌گیری می‌شود و بدین ترتیب ترازهای اپتیکی (Optical Levels) به وجود می‌آیند.

این دستگاه بر روی یک سه‌پایه چوبی نصب می‌شد و در پایه‌ی آن سه پیچ تنظیم تراز، تعبیه گردیده بود که به وسیله‌ی آن‌ها پس از تنظیم تراز محور نشانه‌روی دوربین در یک امتداد افقی استقرار می‌یافت و با حرکت سمتی دوربین صفحه‌ای افقی در فضا ساخته می‌گردید.

دستگاه‌های ترازیاب صرفاً قابلیت این را داشتند که یک سطح افقی را در فضا به وجود بیاورند که با استفاده از آن، تعیین اختلاف ارتفاع نقاط امکان‌پذیر بود.

با افزودن یک صفحه مدرج افقی در زیر دوربین اندازه‌گیری زوایای افقی بین دو امتداد در روی زمین نیز با این وسیله میّسر گردید. به مرور با اضافه کردن تکیه‌گاه U شکل بر روی پایه‌، امکان حرکت دوربین در صفحه‌ی قائم نیز فراهم شد و بدین ترتیب دستگاه‌های دیگری با عنوان «زاویه‌یاب» یا «تئودولیت» به‌وجود آمد.

در سال‌های بعد کارخانه‌های متعددی در کشورهای گوناگون اقدام به تولید ترازیاب و تئودولیت‌های اپتیکی کردند. اخیراً به منظور ایجاد راحتی در اندازه‌گیری زوایا و رفع خطاهای مرتبط با خواندن و نوشتن اعداد، با افزودن یک برد الکترونیکی در داخل دستگاه‌های اپتیکی این امکان فراهم گردید که در داخل یک مونیتور کوچک اعداد به حالت دیجیتال مشاهده گردند و بدین ترتیب تئودولیت‌ها و ترازیاب‌های دیجیتال به وجود آمد.

از دیگر خصوصیات این دستگاه‌های پیشرفته می‌توان به حافظه‌های بالا و امکان انتقال اطلاعات ضبط شده به رایانه و نرم‌افزاهای ترسیمی اشاره کرد که هر کارخانه نمونه‌های گوناگونی از آن را تولید و به بازار عرضه کرده است.

ترازیاب‌های الکترونیکی:

پس از ساخت ترازیاب‌های اپتیکی، اساساً تجهیزات مشابه ترازیابی نظیر شمش تراز و شلنگ تراز از رده فعالیت خارج گردید و این ترازها جای آن‌ها را گرفت اما بعد از مدت کوتاهی این تجهیزات تحت تأثیر ورود الکترونیک به دانش نقشه‌برداری واقع شد و استفاده از ترازهای الکترونیکی و دیجیتالی گسترش پیدا کرد به گونه‌ای که در تمامی مراحل اندازه‌گیری، ترازیاب اطلاعات را در حافظه داخلی خود ذخیره و سپس با اتصال به کامپیوتر قابلیت ارائه‌ی مشاهدات را به اشکال گوناگون دارا خواهد بود و در نتیجه انتقلابی در کارهای ترازیابی (درجه ۱ و درجه ۲) و دقیق به‌وجود آورد.

داده‌های موردنیاز با توجه به تجهیزات در دسترس و هدف نهایی به شیوه‌های گوناگونی قابل جمع‌آوری هستند. مثلاً داده‌های خام را می‌توان از برداشت زمینی نقشه‌های موجود و منابع اطلاعاتی مؤسسات عکس‌های هوایی و ماهواره‌ای و… به‌دست آورد اما در نهایت بایستی تمام داده‌های خام دارای شکل واحدی باشند.

با ورود «دستگاه‌های جامع» دارای حافظه‌های با حجم زیاد، گام بزرگی به سمت خودکارشدن سیستم‌های تهیه‌ی نقشه به روش زمینی برداشته شد. مزیت اساسی روش ثبت خودکار داده‌ها، این می‌باشد که افزون بر سرعت و راحتی در انجام کار و جلوگیری از اشتباهات قرائت و ثبت داده‌ها، ایجاد فایل‌های اطلاعاتی به روش دستی را حذف می‌کند. در ضمن این دستگاه‌ها توانایی حذف خطاهای داخلی و استفاده از واحدهای گوناگون اندازه‌گیری را نیز دارا هستند.

ترازیابی مستقیم

ترازیابی:

ترازیابی به عملیاتی گفته میشود که برای تعیین یک نقطه یا اختلاف ارتفاع بین دو نقطه یا نقاط مختلف انجام میشود .

ارتفاع :

عبارت است از فاصله قائم یک نقطه نسبت به سطح مقایسه

سطح مقایسه :

همان سطح دریاهای آزاد یا ژئویید است .

در عملیات نقشه برداری محدود ، گاهی سطح مقایسه را سطحی غیر از سطح اقیانوس ها در نظر میگیرند و ارتفاع همه نقاط مورد نظر را نسبت به آن سطح مقایسه قراردادی می سنجند .

سطح ژئویید دارای انحناست ، ولی در مواردی که ارتفاع نقاط در یک سطح کوچک اندازه گیری میشود ، سطح مقایسه را میتوان سطح افقی عمود بر خط قائم در آن محل در نظر گرفت . برای آن که در اندازه گیری ارتفاعات به ارتفاع منفی برخورد نشود ، غالباً سطح مبنای انتخابی را پایین تر از کم ارتفاع ترین نقطه منطقه مورد نظر اندازه گیری انتخاب میکنند .

سطح تراز :

سطحی است که همه نقاطش بر امتداد شاغولی آن نقاط عمود است . در یک منطقه کوچک میتوان گفت در هر منطقه سطح تراز سطحی است موازی آبهای ساکن محل مثل دریاچه و مرداب . بنابراین  در هر نقطه بیش از یک سطح تراز وجود ندارد .

خط تراز :

هر خط واقع در سطح تراز را خط تراز میگویند . بنابراین ، در یک نقطه بی نهایت خط تراز وجود دارد .

سطح تراز مبنا :

سطح متوسط آب دریاهای آزاد است با این فرض که زیر خشکیها نیز ادامه یافته است .

امتداد قائم :

همان امتداد خط شاغولی است که از مرکز زمین نیز میگذرد .

صفحه افق :

صفحه ای است عمود بر امتداد قائم یا شاغولی آن نقطه .

دستگاه ترازیاب و اجزاء آن

دستگاه ترازیاب از سه قسمت فوقانی ، میانی و تحتانی تشکیل شده است . قسمت فوقانی شامل تلسکوپ و وسایل قراول روی و قسمت میانی شامل تراز و صفحه مدرج و قسمت تحتانی شامل پیچ های تراز کننده و اتصال و صفحه اتصال دستگاه روی سه پایه است که هر قسمت ضمائمی دارد .
ویژگیهای قسمتهای مختلف ترازیاب به شرح زیر است :

الف- پایه که به وسیله سه یا چهار پیچ تراز کننده روی صفحه زیر پایه تکیه میکند و روی آن یک تراز قرار دارد و روی هر پایه دایره مدرج افقی برای اندازه گیری زاویه افقی طراحی شده است .

ب- دوربین که در کنار تراز (برای ترازهای اتوماتیک یا دارای کمپانساتور) برای افقی کردن خط نشانه روی قرار دارد . این قسمت ، حول محور قائم دوران میکند ، و با یک پیچ نگهدارنده سمتی بسته میشود و با پیچ حرکت جزئی سمتی به مقدار جزئی در سمت میچرخد تا خط رتیکول روی هدف قرار گیرد .

ج- لوله دوربین قسمتی از دوربین است که با آن میتوان زاویه دید را بزرگتر کرد تا اشیاء دور با چشم دیده شوند . لوله دوربین در دستگاه ترازیابی از عدسی شیئی (مجموعه ای از چند عدسی به هم چسبیده) ، صفحه رتیکول و عدسی چشمی ، که شامل یک یا چند عدسی است ، یشکیل شده است . یکی از مشخصات ویژه ترازیاب ها درشت نمایی آنهاست که با نسبت فاصله کانونی عدسی شیئی به فاصله کانونی عدسی چشمی تعریف میشود . بنابراین ، هرچه دهانه عدسی شیئی بزرگتر باشد درشت نمایی دستگاه زیادتر است .

د- تارهای رتیکول برای این که بتوان نقطه معینی را از نظر مکانی نشانه روی کرد از تارهای رتیکول استفاده میشود . داخل لوله دوربین صفحه ای به نام صفحه رتیکول (صفحه مشبک شده) قرار دارد که بر روی آن تارهای افقی و قائم برای نشانه روی حک شده است . در ترازیاب های دقیق نصف تار افقی به صورت دوشاخه ای است که حالت انطباق را با خطوط میر (شاخص) آسان تر میکند .

ه- خط دید یا محور نوری دوربین ، خطی است فرضی که محل تقاطع تارهای رتیکول را به مراکز عدسی شیئی و چشمی وصل میکند . این خط را خط کلیماسیون نیز میگویند .

و- محور قائم دوربین محوری است که دستگاه ترازیاب جول آن در یک سطح افقی دوران میکند .

تراز دستگاه

تراز در دوربین های نقشه برداری برای افقی و قائم کردن محورهای دستگاه استفاده میشود . معمولاً ترازها از یک محفظه شیشه ای ، که داخل آن از اتر یا الکل پر شده است و فقط یک حباب خالی در آن باقی مانده ، درست شده است . ترازها معمولاً 2 نوع اند : تراز کروی و تراز لوله ای یا استوانه ای .

تراز کروی :

از یک استوانه شیشه ای تشکیل شده است که قسمت بالای آن از داخل به صورت کروی است و به جز یک حباب دایره ای شکل یا مایع حساس ، که همان اتر یا الکل است ، پر شده و در یک محفظه فلزی جای گرفته است . در این نوع ترازها محور تراز عبارت است از خط عمود بر صفحه مماس در نقطه وسط تراز ، تراز کروی برای افقی کردن تقریبی یک سطح یا عمود قرار دادن یک محور به کار میرود .

تراز لوله ای یا استوانه ای :

تراز لوله ای از یک لوله شیشه ای ، که طرف بالای آن به شکل استوانه خمیده مانندی با شعاع معین است ، تشکیل شده است . هر دو انتهای لوله نیز مسدود است و با الکل و اتر ، تا جایی که یک حباب داخل آن به وجود آید ، پر شده است .
برای مشاهده وضعیت حباب در خارج لوله تراز تقسیماتی به فواصل معین (2میلیمتر) تعبیه شده است . نقطه وسط تقسیمات را علامت میانه و خط مماس در این نقطه درجهت طول تراز را محور تراز یا خط هادی میگویند . بنابراین به کمک این ترازها میتوان خط دید یا محور کلیماسیون را افقی کرد یا محور دستگاه را به حالت قائم قرار داد .

تراز کردن ترازیاب

الف – برای دستگاه هایی که تراز کروی دارند پس از قرار دادن تراز کروی بین دو تا پیچ تراز کننده دو پیچ را در جهت مخالف یکدیگر میچرخانیم تا حباب تراز در امتداد پیچ سوم تراز کننده قرار گیرد . سپس با چرخاندن پیچ سوم حباب را وسط دایره تنظیم تراز می آوریم .
ب- در دستگاه هایی که تراز استوانه ای دارند برای تراز کردن ابتدا محور تراز دستگاه را موازی امتداد دو پیچ تراز کننده قرار میدهیم و با چرخاندن این دو پیچ در جهت مخالف یکدیگر حباب تراز را وسط می آوریم سپس دوربین را میچرخانیم تا تراز آن در امتداد پیچ سوم قرار گیرد و این بار فقط با چرخاندن همین پیچ در جهت مناسب حباب را دوباره به وسط (بین دو نشانه ) می آوریم در این حالت باید دستگاه تراز باشد .
مستقر کردن ترازیاب (ایستگاه گذاری(
برای استقرار ترازیاب روی یک نقطه مشخص ابتدا سه پایه را ، که زیر آن شاغول اضافه شده است ، طوری قرار میدهیم که نقطه بین پایه های سه پایه قرار گیرد . سپس با تغییر مکان دوپایه یا سه پایه نوک شاغول را روی نقطه می آوریم . در حین کار سعی میکنیم صفحه بالای سه پایه را تقریباً افقی کنیم . بلندی سه پایه پس از استقرار بایستی متناسب با قد شخص عامل باشد تا شخص همواره برای کار با ترازیاب تسلط کافی داشته باشد .

حذف پارالاکس

پس از استقرار ترازیاب تصویری که به وسیله عدسی شیئی ایجاد میشود باید در صفحه رتیکول قرار گیرد . تصویر و خطوط رتیکول ، که به وسیله عدسی چشمی مشاهده میشود ، چنانچه در یک سطح قرار نداشته باشند ، میگویند . تصاویر از هم جدا افتاده اند . بنابراین ، دستگاه دارای پارالاکس است . برای حذف پارالاکس عامل ابتدا با گرفتن یک برگ کاغذ سفید جلو لوله دوربین حلقه دور چشمی را به چپ و راست میچرخاند تا خطوط رتیکول را واضح ببیند . سپس پیچ تنظیم شیئی را آن قدر میچرخانیم تا هدف (میر) واضح دیده شود.

اصول کار ترازیابی

ترازیابی ساده :

وقتی که برای تعیین اختلاف ارتفاع بین دو نقطه بیش از یک ایستگاه گذاری نیاز نباشد ترازیابی را ساده گویند ، طوری که بتوان از محل استقرار ترازیاب به دو نقطه مورد نظرقراول روی کرد . بنابراین ، چنانچه هدف اندازه گیری اختلاف ارتفاع بین دو نقطه A و B باشد ، بر حسب آنکه محل ایستگاه کجا باشد به روش زیر عمل میکنیم .
الف- ایستگاه روی هیچ کدام از نقاط نیست . برای پیدا کردن اختلاف ارتفاع دو نقطه A,B در نقطه ای دلخواه ، که از آن نشانه روی به شاخص در دو نقطه امکان پذیر باشد ، ترازیاب را مستقر میکنیم . ترازیاب باید جایی قرار گیرد که فاصله A,B تا ترازیاب تقریباً مساوی باشد ( این کار علاوه بر آنکه خطای حاصل از تنظیم نبودن دستگاه را از بین میبرد ، خطای انکسار نور و کرویت زمین را هم حذف میکند) . بعداً به نقطه A قراول میرویم و تار رتیکول وسط دوربین که روی شاخص در نقطه A قرار گرفته است را قرائت میکنیم . آن را با BS نشان میدهیم (قرائت عقب) ، پس از آن به شاخصی که در نقطه B قرار گرفته قراول روی میکنیم و عدد تار وسط روی شاخص را قرائت میکنیم و آن را به عنوان FS (قرائت جلو) در دفترچه ترازیابی یادداشت میکنیم . این نامگذاری به این دلیل است که جهت پیشروی از نقطه A به طرف نقطه B است . با توجه به داشتن ΔH ارتفاع و BS , FS قرائت میر روی آن ، میتوان ارتفاع دوربین را به دست آورد .
ΔH=BS-FS و یا قرائت جلو – قرائت عقب = اختلاف ارتفاع
تبصره 1 : در این جا از روی علامت ΔH میتوان تشخییص داد کدام یک از نقاط بالاتر است.
ΔH > 0 نقطه B بالاتر از نقطه A است
ΔH < 0 نقطه B پایین تر از نقطه A است
ΔH = C نقطه دوم هم سطح نقطه اول است

ب- ایستگاه روی یکی از نقاط است . فرض کنید میخواهیم اختلاف ارتفاع بین دو نقطه A , B را پیدا کنیم . دستگاه را روی یکی از نقاط مثلاً B مستقر میکنیم وارتفاع دستگاه (J ) یعنی فاصله مرکز دوربین تا نقطه روی زمین را اندازه گیری میکنیم و شاخص را روی نقطه دوم (A ) به طور قائم نگه میداریم و عدد R را روی آن میخوانیم  در این صورت اختلاف ارتفاع برابر است با : ΔH = J – R
تبصره 2 : از روی علامت ΔH میتوان تشخیص داد کدام یک از دو نقطه بالاتر است
ΔH > 0 نقطه دوم بالاتر است
ΔH < 0 نقطه دوم پایین تر است
ΔH = C نقطه دوم هم سطح نقطه اول است
در اینجا نقطه اول نقطه ای است که دستگاه را روی آن مستقر کردیم و نقطه دوم نقطه ای است که شاخص را به طور قائم روی آن قرار دادیم .

روش کنترل در ترازیابی

برای جلوگیری از اشتباه ، تعیین خطا و کنترل عملیات نرازیابی باید به یکی از روشهای زیر عمل کرد
کنترل به روش رفت و برگشت : ترازیابی را از یک نقطه معلوم شروع میکنیم و بعد از انجام عمل ترازیابی دوباره به نقطه شروع برمیگردیم . این حالت ترازیابی را رفت و برگشت میگویند . در این صورت اختلاف ارتفاع دو نقطه معلوم را ، که از عمل ترازیابی به دست آمده است ، خطای ترازیابی میگویند و اگر این خطا در حد خطای مجاز باشد عملیات ترازیابی صحیح است .
استفاده از دو نقطه دارای ارتفاع معلوم : ترازیابی را بین دو نقطه دارای ارتفاع معلوم انجام میدهیم و اختلاف ارتفاع اندازه گیری شده روی دو نقطه را ، که با عملیات ترازیابی به دست می آید ، محاسبه و با اختلاف ارتفاع نقاط اولیه مقایسه میکنیم .
خطای مجاز در ترازیابی : از این رابطه بدست می آید E2 = e2L
در این رابطه E خطای مجاز در ترازیابی ، L طول ترازیابی در مسیر برحسب کیلومتر و e مقدار خطای مجاز در هر کیلومتر ترازیابی برحسب میلیمتر است که مقدار آن به درجه دقت عمل ترازیابی بستگی خواهد داشت.
کنترل صحت عملیات : مقدار خطای حاصل را به تعداد ارتفاع های به دست آمده تقسیم و به تناسب سرشکن میکنیم .

ترازیاب های جدید کمپانی لایکا ژئوسیستم

کمپانی لایکا ژئوسیستم مدعی است که ابزار جدیدش موسوم به LS15 برای اجرا و کامل کردن همۀ مراحل اساسی یک عملیات ترازیابی به کار می رود. این دستگاه دارای بالاترین سطح دقت یعنی ۰٫۲ میلی متر است که با نشانه روی به شاخص و از طریق صفحه نمایش رنگی و لمسی و فشردن دکمه اندازه گیری قابل حصول است. قابلیت های ویژه این دستگاه شامل تراز الکترونیکی، کنترل کننده تیلت پیش از هر اندازه گیری و فوکوس خودکار است. این امکانات خستگی کار عملی را کاهش داده و خطاهای رایج در عملیات ترازیابی شامل خطا در قرائت شاخص و اشتباهات نوشتاری را به حداقل می رساند، در نتیجه؛ دقت بالای اندازه گیری را همواره تضمین می کند.

شرکت لایکا می گوید LS15 تنها ترازیاب بازار است که به دوربین مجهز است و این دوربین کمک می کند شاخص سریع تر در راستای دید قرار گیرد. نقشه بردار از طریق تصویری که دوربین به صفه نمایشگر می رساند شاخص را پیدا می کند سپس با فشردن شاسی اندازه گیری مقادیر روی شاخص را برداشت می کند.

رابط بلوتوث و USB دستگاه انتقال داده ها را با سرعت بالا ممکن می سازد و بسته نرم افزاریLeica Infinity تمامی مراحل پردازش داده های پیچیده ترازیابی را پشتیبانی می کند.

انجام پروژه های ترازیابی دقیق از جمله کارهای چالش برانگیز بین نقشه برداران است و لایکا با ارائه ترازیاب های دیجیتال سری  LS و با شعار “بی نهایت راحت با نتایج دقیق و قابل اعتماد این تجربه را لذت بخش تر کرده است..

امروزه در بسیاری از پروژه های عمرانی  از دستگاههای ترازیاب جهت تعیین ارتفاع پروژه استفاده می گردد.تعیین و پیاده نمودن ارتفاع و نقطه مبنا پروژه نقش مهم و کلیدی در پروژه دارد.

امروزه با وجود ورود دستگاههای پیشرفته نقشه برداری هنوز هم از دستگاه ترازیاب جهت جهت تعیین ارتفاع پروژه استفاده میگردد.

انواع شبکه های ژئودزی

شبکه نقاط ژئودزی به شبکه ای از نقاط ثابت روی سطح زمین گفته میشود که به نام نقاط کنترل معروف است . موقعیت این نقاط در چارچوب عملیات ژئودزی با مختصات آن نقطه تعیین میشود . دو نوع شبکه نقاط ژئودزی سراسری موجود است ، یکی دارای مختصات پلانیمتری (افقی) و دیگری دارای مختصات ارتفاعی . نقاط ژئودزی پلانیمتری دارای مختصات معین X و Y و نقاط ژئودزی ارتفاعی به صورت بنچ مارکهای ( نقاط نشانه در نقشه برداری که به صورت بتنی است) دارای ارتفاع معین ، H است .

شبکه نقاط پلانیمتری

شبکه نقاط پلانیمتری با روشهای مثلث بندی ، سه ضلعی بندی و پلی گن سنجی ایجاد میشود :

الف – مثلث بندی : مثلث بندی در شبکه ای از مثلث به وجود می آید  در این روش همه زوایای مثلث و بعضی از اضلاع آن اندازه گیری می شود .
ب- سه ضلعی بندی : اگر در مثلث بندی تنها اضلاع مثلث ها اندازه گیری شود .
ج- پلی گون سنجی : این روش برای ایجاد نقاط جدید ژئودزی از طریق پیمایش بین نقاط ژئودزی اولیه به کار میرود . در این روش فاصله همه اضلاع و همچنین زوایای پیمایش اندازه گیری میشود .

 شبکه نقاط نجومی ژئودزی

در شبکه نقاط نجومی ژئودزی درجه یک نوارهای مثلث بندی در امتداد نصف النهارها و مدارها تشکیل میشود . این ردیفهای شبکع مثلث بندی به شکل پلی گن همدیگر را قطع میکنند . این گونه تقاطع ها در فاصله هر 200 تا 250 کیلومتر اتفاق می افتد . مناطق خالی بین نقاط ژئودزی درجه اول از شبکه مثلث بندی نقاط ژئودزی درجه دوم پر میشود و به همین ترتیب تا نقاط ژئودزی درجه چهارم ادامه مییابد . در این روش لازم است حداقل دو پایه مبنا (Base Line) برای اتصال این شبکه به شبکه دارای درجه درجات بالاتر ایجاد و اندازه گیری شود . نقاط شبکه ژئودزی سراسری باید با پراکندگی یکنواخت در سطح منطقه نقشه برداری انتخاب شود و از هر نقطه حداقل 3 نقطه قابل رؤیت باشد .

نقاط متراکم ژئودزی

شبکه های متراکم ژئودزی به شبکه های مثلث بندی و پیمایش درجات یک و دو تقسیم میشود . این شبکه ها بر اساس مثلث بندی ، سه ضلعی بندی یا تقاطع به وجود می آیند . شبکه نقاط متراکم معمولاً مابین نقاط ژئودزی سراسری کشور ایجاد میشود .

شبکه نقاط کنترل نقشه برداری

چنین شبکه هایی به منظور تعیین موقعیت تفصیلی بناها ، مثلاً انتقال بناهای مهندسی ، روی زمین ایجاد میشوند .شبکه نقاط نقشه برداری با روش تقاطع به کمک نقاط ژئودزی که درجات دقت متفاوت دارند ، پیمایش با تئودولین ، تخته سه پایه و ایجاد شبکه های مختلف هندسی به وجود می آید . دقت اندازه گیری زاویه در این نوع شبکه بین 30 ثانیه تا 1 دقیقه و دقت نسبی اندازه گیری اضلاع نیز 1:3000 است که بنا به اهداف کار و روشهای اندازه گیری از این مقدار نیز کمتر میشود .

شبکه سراسری نقاط ارتفاعی ژئودزی

روش اصلی تعیین نقاط شبکه ارتفاعی از طریق ترازیابی است . شبکه سراسری نقاط ارتفاعی شامل ترازیابی درجه یک تا چهار است .
ترازیابی درجه یک ترازیابی بسیار دقیق است . با استفاده از تکنیک های جدید میتوان ترازیابی دقیق را با دقت 5/0 میلیمتر در کیلومتر انجام داد .
ترازیابی درجه دو معمولاً برای راه آهن ، شاهراه ها استفاده میشود . در ترازیابی درجه دو خطای مطلق عملیات ترازیابی از مقدار 5رادیکالL میلیمتر نباید زیادتر شود . 5 میلیمتر خطای مجاز در یک کیلومتر و L  طول مسیر ترازیابی به کیلومتر است .
شبکه ترازیابی درجه سه بین شبکه ترازیابی درجه دو احداث میشود . خطای مجاز ترازیابی درجه سه 10 رادیکال L میلیمتر است .
شبکه ترازیابی درجه چهار ، که در نقشه برداری توپوگرافی استفاده میشود ، دارای خطای مطلق 20 رادیکال L میلیمتر است .
بنچ مارکها و علائم نقاط ارتفاعی با توجه به درجات مختلف ترازیابی با علائم پیش ساخته روی زمین نصب میشود . فواصل این بنچ مارکها برای دقتهای بالا و در مناطق کوهستانی بین 50 تا 80 کیلومتر است . فاصله بین بنچ مارکهای نقاط شبکه ارتفاعی درجه سوم وچهارم بین 5 و 7 کیلومتر است و در مناطق ناهموار به 10 تا 15 کیلومتر میرسد .

مقایسه توتال استیشن و تراز یاب از لحاظ انتقال ازتفاع

در اینجا دو ابزار (توتال استیشن – ترازیاب) را از لحاظ انتقال ارتفاع مقایسه می نماییم:

با توجه به این که اصول کلی روش ترازیابی توسط دستگاه ترازیاب ایجاد یک سطح افقی بین دو نقطه  می باشد و مشاهدات به صورت مستقیم و توسط دوربین ترازیاب و شاخش صورت می گیرد آن را ترازیابی مستقیم یا هندسی می نامیم.

توتال استیشن با اندازه گیری پارامتر زاویه قائم(v) و طول مایل s)) و با وارد کردن ارتفاع  توتال استیشن و منشور ارتفاع ارتفاع نقطه مورد نظر را محاسبه می نماید.این نوع ترازیابی را تراز یابی مثلثاتی می نامیم.

در ترازیابی هندسی برای کنترل ارتفاع مشاهدات به صورت رفت و برگشت برداشت می شوند که این کار نیاز به صرف زمان بیشتری دارد همچنین قراولروی مشاهدات ارتفاعی روی شاخص کاری است دشوار با ضریب خطای انسانی بالا صورت می گیرد(به غیر از ترازیاب های دیجیتال بارکد خوان). در زمین های با شیب زیاد و کوهستانی به ناچار فواصل ایستگاهها می بایست کوتاه انتخاب شود و این مورد دارای سختی های فراوان می باشد.

با توجه به پستی بلندی های زیاد فواصل دو دهانه نیز نابرابر انتخاب می شود که باعث خنثی ننمودن خطای کولیماسیون میشود.

در نواحی دارای پستی بلندی زیاد  می بایست ارتفاع شاخص را بالا برد که این کار تراز کردن شاخص را بسیار سخت می کند و این مشکل باعث بروز خطای شاخص می گردد.

با توجه به موارد اشاره شده باید بیان کرد که در ترازیابی هندسی به دلیل اینکه مشاهدات به صورت مستقیم برداشت می شود دارای ضریب اطمینان بیشتری نسبت به ترازیابی مثلثاتی می باشد.

توتال استیشن به دلیل جابجایی کمتر دستگاه –برداشت سریع –برداشت همزمان مسطحاتی و ارتفاعی همچنین برداشت در پستی بلندی شرایطی را فراهم می کند که سریعتر از روش ترازیابی مستقیم اختلاف ارتفاع نقاط مشخص شود.

دقت ارتفاعی توتال استیشن و ترازیاب را مقایسه مینماییم:

اندازه گیری میدانی

فرض می کنیم که دقت ترازیابی توسط دوربین ترازیاب بالاتر از توتال استیشن است و مبنا را بر ترازیابی مستقیم قرار می دهیم و بدین منظور یک فاصله 70 متری بین دو نقطه را به گونه ای انتخاب می کنیم که اختلاف ارتفاع زیادی داشته باشیم به این علت که متوجه شویم شرایط ترازیابی با ترازیاب و توتال استیشن چه اختلافی دارد.

برای صحت در نتیجه کار(مقایسه دو دستگاه) می بایست ایستگاهها به صورت بتنی و دقیق ایجاد شود سپس برای مشخص کردن ارتفاع نقاط بیشتر حد فاصل دو ایستگاه را به 7 قسمت تقسیم می کنیم همچنین موقعیت این نقاط را نیز بتنی انتخاب می کنیم. برای کاهش اثر کولیماسیون فاصله دهانه ها را برابر انتخاب می کنیم.اکنون مشاهدات ابتدایی را توسط دستگاه ترازیاب و شاخص انجام می دهیم همچنین برای کنترل و بدست آوردن  خطای بست ترازیابی عملیات را به صورت رفت و برگشت انجام می دهیم.

پس از بررسی مشاهدات مقدار خطای مشاهدات به صورت ذیل محاسبه می شود:

با توجه به این که خطای بست زاویه ای 1 میلیمتر و با استناد به فرمول تجربی سازمان نقشه برداری (دستورالعمل های همسان نقشه برداری جلد یک)ترازیابی دو نقطه از نوع درجه یک می باشد.

با توجه به موارد فوق و بدست آمدن ارتفاع نقاط این بار ترازیابی را توسط توتال استیشن انجام می دهیم. در ابتدا به شرط چگونگی برداشت ارتفاعی توسط توتال استیشن و شرایط کالیبره دستگاه جهت ترازیابی می پردازیم.

دستگاه توتال استیشن از طریق قرائت زاویه قائم و طول مایل اختلاف ارتفاع نقطه استقرار دوربین و نقطه نشانه روی را توسط فرمول ذخیره شده در برنامه دستگاه از رابطه ذیل محاسبه میکند.

در رابطه 2:

V   زاویه قائم – S  طول مایل – HB ارتفاع نقطه نشانه روی –HA  ارتفاع نقطه استقرار دوربین

دوربین توتال استیشن به دلیل با توجه به دیجیتالی و اتوماتیک بودن و وجود کمپانساتور نوع جدید چهار لایه Quadraple دارای دقت بالایی در تراز می باشد. به دلیل این که در محاسبات ارتفاع توسط توتال استیشن از مشاهدات مستقیم زاویه قائم استفاده  می شود از این رو دوربین باید عاری از خطای نوع یک و دو باشد زیرا این خطا ها تحت تاثیر شیب امتداد نشانه روی قرار دارند.

خطای نوع اول

یکی از شرایط سالم بودن دستگاه توتال استیشن عمود بودن محور دیدگانی بر محور چرخشی دوربین می باشد در غیر این صورت انحراف این محور به اندازه ɛ باعث تاخیر روی زاویه قائم می گردد که آن را خطای کلیماسیون نوع اول می نامیم.

این خطا به صورت مستقیم روی خط امتداد افقی با اندازه θ تاثیر می گذارد که به مقدار کلیماسیون ɛ و زاویه شیب a  بستگی دارد و از ربطه بدست می آید.

با توجه به کوچک بودن زاویه می توان نوشت  که در این رابطه V  زاویه قائم است. با توجه به این رابطه می توان نتیجه گرفت که هرچه شیب امتداد جهت تراز یابی با توتال استیشن بیشتر باشد اثر کلیماسیون نوع اول بیشتر است.

خطای نوع دوم

یکی دیگر  از شرایط هندسی یک توتال استیشن سالم عمود بودن محور اصلی بر محور چرخش دوربین می باشد. در غیر این صورت انحراف این محور به اندازه e  باعث تاخیر روی زاویه افقی و قائم می گردد که آن را خطای  کلیماسیون نوع دوم می نامیم. در این صورت دوربین به جای حرکت به صورت قائم به صورت مایل حرکت می کند.

این خطا به صورت مستقیم روی امتداد زاویه افقی به اندازه θ  تاثیر میگذارد که به مقدار کلیماسیون e و زاویه شیب امتداد a بستگی دارد و از رابطه ذیل بدست می آید.

با توجه به کوچک بودن زوایا می توان نوشت  که در این رابطه V زاویه قائم است.

با توجه به رابطه فوق می توان نتیجه گرفت که هرچه شیب بیشتر امتداد نقطه قراول روی برای تعیین اختلاف ارتفاع بیشتر باشد  اثر خطای کلیماسیون نوع دوم هم بیشتر است اما مقدار این خطا در زاویه قائم 90 درجه (در افق) برابر صفر است.

زاویه قائم به عنوان یک پارامتر که توتال استیشن برای محاسبه ارتفاع به صورت مستقیم مشاهده می نماید مخصوصا در نواحی کوهستانی بسیار تحت  تاثیر خطاهای کلیماسیون قرار دارد یعنی می توان استنباط کرد که برای تراز یابی با دستگاه توتال استیشن شرط اول کالیبره بودن توتال استیشن ازخطاهای ذکر شده می باشد.

توتال استیشن مورد استقاده در این آزمون سنجش دقت ارتفاعی LEICA TS 09 PLUS  می باشد که دارای دقت بالایی می باشد ( دقت زاویه ای یک ثانیه ) پروژه صنعتی سایپا سیتروئن.

توتال استیشن اختلاف ارتفاع را از رابطه 1 محاسبه می کند که در قسمت های قبل شرح دادیم، لذا در ابتدا تمامی پارامار های این فرمول را بررسی میکنیم. زاویه قائم که مورد تجزیه تحلیل قرار گرفت  دقت طول مایل نسبت به دقت اندازه گیری EDM  دستگاه توتال استیشن دارد در دستگاه فوق 1MM+1.5PPM  میباشد. پارامتر بعدی ارتفاع رفلکتور می باشد که با توجه به مدرج نمودن  ژالن رفلکتور در کارخانه تجهیزات  با دقت بالا مشخص می گردد.

پارامتر بسیار حساسی که مهندسین نقشه برداری از آن راحت عبور می کنند مشخص کردن ارتفاع  توتال استیشن می باشد.

علت حساسیت دقت ارتفاع توتال استیشن به این دلیل است که تنها پارامتری  می باشد که اپراتور آن را محاسبه می نماید . دقت و درستی محاسبه این پارامتر بستگی به بستگی به نوع وسیله اندازه گیری ارتفاع(متر) و روش اندازه گیری آن دارد(البته توتال استیشن های لایکا در سری جدید FLEX LINE بعد از سری PLUS دستگاه ارتفاع را توسط لیزر محاسبه می نماید).

تکنولوژی اعمال ارتفاع خودکار توتال استیشن در توتال استیشن جدید کمپانی ساوت  South A1  نیز به کار گرفته شده است. با استفاده از این ویژگی خطای مترکشی ارتفاع دستگاه مرتفع می شود.

اکنون دوربین را در نقطه P1  مستقر میکنیم سپس بعد از تراز کردن توتال استیشن پارامتر های ورودی برای توجیه را به دستگاه وارد می نماییم.ارتفاع نقطه شروع را به صورت پیش فرض 100 در نظر می گیریم سپس پارامتر ارتفاع دوربین را وارد می نماییم که برابر 1.45 متر می باشد.

در ابتدا برای اندازه گیری ارتفاع دوربین از متر استفاده می شود چون می خواهیم بدانیم اثر اندازه گیری دستی ارتفاع دوربین در برداشت ارتفاعی توتال استیشن چه تاثیری دارد.

ارتفاع رفلکتور را نیز برابر ارتفاع توتال استیشن قرار می دهیم  سپس رفلکتور را جهت دقت بیشتر با سه پایه ژالون گیر روی نقطه مورد نطر تراز می کنیم و نقطه را فیکس میکنیم و برداشت را انجام می دهیم این عملیات برای کلیه نقاط انجام می شود.

در جدول ذیل ارتفاع های بدست آمده توسط توتال استیشن و ترازیاب از روش فوق را مشاهده میکنید:

نتایج و پیشنهادات

با توجه به نتایج در جدول فوق نتیجه میگیریم که دقت تراز یابی توسط توتال استیشن  در روش اندازه گیری ارتفاع دوربین  به کمک متر دستی دقتی با میانگین بهتر از 8 میلیمتر در نقطه اول حاصل نشد.

نکته اصلی و اساسی آن نیز وجود وجود خطا در اندازه گیری ارتفاع توتال استیشن می باشد. نکته جالب بعدی تغییر خطا در نقطه تغییر شیب می باشد همانگونه که در جدول فوق مشاهده می کنید در نقطه P4  که شیب تغییر می کند و رو به افزایش می رود خطا به سرعت رو به کاهش می رود.

روش یک طول تراز

اکنون سوال این است که بهترین روش برای اندازه گیری ارتفاع دوربین به صورت دقیق کدام است؟

و اگر ارتفاع دوربین به صورت دقیق اندازه گیری شود در تعیین اختلاف ارتفاع نقاط توسط توتال استیشن تاثیر دار یا خیر؟

برای اثبات این موضوع روش یک طول تراز را پییشنهاد میکنیم.

روش یک طول تراز بدین روش انجام می گردد که در ابتدا قبل از استقرار دوربین در نقطه ای که ارتفاع آن معلوم است P1  یا به صورت پیش فرض انتخاب شده بین دو نقطه معلوم و نقطه بعدی به فاصله یک قطعه (حد اکثر فاصله بین دو نقطه 10 متر 9) تراز یابی مستقیم توسط شاخص و ترازیاب انجام گیرد.

با این کار ارتفاع نقطه معلوم با دقت بسیار بالایی به نقطه بعدی انتقال پیدا می نماید. سپس توتال استیشن را در نقطه معلوم مستقر می نماییم برای بدست آوردن ارتفاع دوربین به صورت یک طول تراز کافی است رفلکتور را در ایستگاهی که قبلا ارتفاع آن را توسط تراز یاب بدست آورده ایم  قرار دهیم و ارتفاع رفلکتور را وارد نماییم سپس طول مایل و زاویه قائم را مشاهده کرده و با توجه به فرمول ذیل ارتفاع توتال استیشن را با دقت بالا محاسبه می نماییم.

ارتفاع توتال استیشن همان گونه که در رابطه فوق مشاهده می کنید 1.435 متر بدست آمده است.

برای کنترل از صحت این روش بعد از وارد کردن این پارامتر به توتال استیشن به نقطه ای که ارتفاع آن توسط ترازیاب مشخص شده قراول روی می کنیم حال باید دقیقا همان ارتفاع محاسبه شده توسط مشاهدات تراز یاب را مشاهده کنیم.سپس ارتفاع تمامی نقاط را بدست می آوریم.

در جدول فوق مشاهدات مربوط به تراز یابی با دستگاه توتال استیشن با روش طول تراز را مشاهده می کنید.نکته جالب این روش این است  که مشاهدات دقیقا برابر مشاهدات دستگاه ترازیاب می باشد. توجه کنید که مشاهدات ترازیاب با توجه به خطای بست ترازیابی از نوع درجه یک می باشد و مشاهدات توتال استیشن نیز هیچ اختلافی با مشاهدات دستگاه ترازیاب ندارد دقت تراز یابی فوق از نوع درجه یک می باشد.

با توجه به بررسی های انجام شده و مجموعه عملیات فوق مشخص گردید در بعضی از موارد و با روش یک طول تراز دقت ترازیابی با دستگاه توتال استیشن و دستگاه ترازیاب تقریبا برابر می باشد ولی آیا می توان با توجه به کاربردهای توتال استیشن آن را جایگزین ترازیاب نمود؟

باید در جواب گفت که دستگاه توتال استیشن در طولهای بالای 100 متر به علت قابل رویت نبودن تارهای درون منشور . منطبق نشدن با تارهای رتیکول توتال استیشن دقت تراز یابی به شدت پایین می آید.

می توان برای جلوگیری از این مساله دوربین را جابجا کرد ولی باید در نظر داشت که در هر جابجایی ارتفاع دوربین به روش طول تراز بدست آید که این کار زمان بر خواهد بود.

در صورتی که شرکت های سازنده تجهیزات بتوانند توتال استیشنی با قابیلیت تراز یابی طراحی کنند سرعت پروژه ها بالا خواهد رفت.اما به خاطر اهداف تجاری این کار را انجام نمی دهند.

روش طراحی توتال استیشن با قابلیت ترازیابی به این گونه می باشد که توتال استیشن را به نحوی طراحی کنند که قابلیت نصب لنزهای تله دوربین عکاسی را دارا باشد .

با این روش می توان بدون جابجایی توتال استیشن تا فواصل طولانی اقدام به ترازیابی دقیق نمود ، این توتال استیشن ها به نحوی طراحی شوند که به جای اینکه کاربر از عدسی چشمی تارگت را ببیند تصویر به صورت دیجیتالی در صفحه نمایش به صورت واضح نمایان شود و قابلیت بزرگنمایی به صورت دیجیتال و اپتیکی را دارا باشد تحت نام تجاری TELE STATION جهت مانیتورینگ و دید کافی تارگت با نصب تجهیزات روی توتال استیشن ها هم اکنون از این روش استفاده می شود ولی دستگاهی با این ویژگی هنوز تولید نشده.

جمع بندی

دستگاه توتال استیشن به به دلیل کارایی بالا و قابلیت های فراوان و با استفاده از روش یک طول تراز جهت ترازیابی می تواند جایگزین دستگاههای ترازیاب شود و کیفیت و سرعت مشاهدات مکانی را هنگام برداشت و تهیه اطلاعات مکانی به شدت افزایش دهد. اما باید به این نکته توجه کرد که بهترین روش برای کنترل آن روش ترازیابی هندسی است.