A geodéziai monitoringról
I. Bevezetés helyett…
A monitoring kifejezés a latin „monere”, azaz „figyelmeztet, emlékeztet” szóból származik, amiből az angol nyelv a „monitor”, azaz „megfigyelő, ellenőrző” szót, illetve annak cselevést kifejező alakját vette át.
A monitoring tehát folyamatos megfigyelést, ellenőrzést jelent. A mérnöki szakágak mellett olyan területeken is alkalmazzák, mint pl. a gazdasági- és pénzügyek, projekt menedzsment, egészségügy, vagy informatika.
Geodéziai értelemben olyan nagypontosságú földmérési észlelési és dokumentálási eljárások összessége, melyek során természetes és mesterséges tereptárgyak, objektumok elmozdulásait, deformációit követjük nyomon időskála mentén.
Az ismételt mérések, illetve eredményeik a vizsgált objektum egy null,- vagy nyugalmi állapotához képest mutatják ki a pillanatnyi eltéréseket, mozgásokat. Az észleléseket a feltételezett mozgási zónán kívülről célszerű végezni, kiküszöbölendő az álláspont és a vizsgálati pont „együtt mozgási” jelenségét. Amennyiben ez nem lehetséges, olyan mérési módszert kell választani, ami ezt kezelni, kiejteni képes.
Bizonyos észlelési módok időbeli ütemezésük szerint lehetnek kampányszerű, periodikusan ismétlődő (pl.: szintezés alapú, klasszikus mérőállomásos), vagy folyamatos, automatizált (pl.: GNSS alapú, távoli eléréssel automatizált automata/robot mérőállomás, térszkennelés alapú) megoldások.
A vizsgálati pontokat minden esetben statikus szakember jelöli ki, illetve Ő határozza meg a várható mozgás nagyságrendjét. A geodéta feladata ezek alapján megválasztani a mérési metódust, valamint a felhasznált mérőeszközöket.
II. Geodéziai monitoring módszerek
A megfigyelés tárgyának jellege, mérete, valamint lehetséges mozgásának mértéke határozza meg az alkalmazott mérnöki módszert. Most ezekből mutatunk be néhányat.
2.1 Az 1D geodéziai monitoring
Függőleges elmozdulások, azaz szerkezet süllyedés, vagy emelkedés vizsgálatára, kimutatására magasságmeghatározási módszert, azaz szintezést alkalmazunk. Felsőrendű szintező műszer, illetve kalibrált invárlécek használatával tizedmilliméteres nagyságrendű pontosság érhető el.
Épület,- és szerkezet süllyedésekhez, illetve hídvizsgálatokhoz alkalmazott, kampányszerű módszer. Az észlelés jellegéből adódóan nem „egy-emberes” megoldás, azaz legalább két fős csapatot igényel.
2.2 A 3D geodéziai monitoring mérőállomással
Műtárgyak, objektumok jellemző pontjainak, illetve azokra kihelyezett prizmák térbeli elmozdulásának nagy pontosságú monitorozása legtöbbször geodéziai mérőállomás alkalmazásával, poláris észleléssel valósul meg. Természetesen, hagyományos mérőállomással is végrehajtható, ám a vizsgálati pontokra kihelyezett prizmák ciklusos mérésére célszerű automata, vagy robot mérőállomást alkalmazni.
Ezek ugyanis „látják” és automatikusan irányozzák a reflektorok optikai középpontját, így zárva ki a személyi hibák jórészét.
A monitoring prizmák telepítését követően költséghatékony „egy-emberes” mérési módszer.
Milliméter, sőt esetenként tizedmilliméteres nagyságrendű pontosság érhető el vele. Kivitelezéskor, bontáskor az építmény, illetve az építési környezet megfigyelésére, üzemelő nagyméretű objektumok, szerkezetek (gátak, hidak) térbeli torzuláskimutatására alkalmazható nagy pontosságú megoldás.
Ez a metódus lehet kampányszerű, vagy a mérőrendszer fix telepítésével alkalmas folyamatos monitoring szolgáltatásra is.
Részletes kifejtésére a III. fejezetben kerül sor.
2.3 A 3D geodéziai monitoring térszkennerrel
A térszkennelés nagy sebességű, prizma nélküli – általában – jelfutásidő mérésből származó (ToF), távmérésen és szögmérésen alapuló ismételt poláris felmérési technológia. Szemben a mérőállomással folytatott észleléssel, a szkennelés nem irányzott mérési módszer, az eredményterméke pedig nem egy-egy diszkrét pont, hanem ezek sokasága, a 3D-pontfelhő.
Általában a térbeli koordinátákon kívül a pontokhoz – a visszaverő szabad felületek anyagának leírására alkalmas – un. intenzitás adat, vagy valós RGB színinformáció is társul.
Null-szkenneléskor pontfelhő formájában elkészül a vizsgálandó objektum digitális ikre.
Az ismételt mérésekkor nem csak egy-egy jellemző pont mozgását figyelhetjük meg és dokumentálhatjuk időskála mentén, hanem összevetve a pontfelhőket, komplex formák, felületek, élek változásáról is képet kaphatunk.
Ez elvitathatatlan előnye a mérőállomásos módszerrel szemben, ahol a megfigyelés csak diszkrét pontokra, azaz egyes prizmákra korlátozódik.
A módszer tehát nagyméretű, összetett építmények teljes egészének milliméteres – centiméteres nagyságrendű monitorozására ad lehetőséget.
Ez a technológia is lehet kampányszerű, egy-emberes terepi jelenlétet igénylő, vagy fixen telepített megoldás. Ez utóbbinál a rögzített műszerek jellemzően a vizsgált objektumra irányított szektorszkennerek.
2.4 3D geodéziai monitoring GNSS-szel
Multi-konstellációs és -frekvenciás műholdjelek vételével és feldolgozásával megvalósuló monitoring megoldás. A vizsgálati pontokon GNSS vevők, illetve antennák kerülnek telepítésre.
A hagyományos mérőállomásos, vagy szintezési módszerekkel ellentétben, ez általában folyamatos és automatizált az adatgyűjtés, azaz inkább 7/24/365 üzemelő megfigyelési forma.
Legtöbbször relatív, differenciális mérési módszer, azaz referenciaállomás használatát feltételezi. Ez lehet a projekt idejére lehetőleg a mozgási területen kívülre állandósított saját bázis. Amennyiben erre nincs mód, alkalmazhatunk meglévő permanens referencia hálózati szolgáltatásokat is.
Szemben a mérőállomásos, vagy szkenneléses módszerrel, a GNSS bázis nem igényel közvetlen összelátást a vizsgálati pontokkal, objektumokkal, ám állandósításuknál szigorúan be kell tartani a műholdas észlelés szabályait (pl.: kilátás az égboltra, multi-path jelenség figyelembe vétele).
Ugyanakkor, míg a mérőállomásos, vagy szkenneléses módszernél csak a műszerállás energia ellátását kell biztosítani terepen, a GNSS esetén minden egyes monitoring pontra kihelyezett műszer igényli ezt.
Egy adott feladatnál az alkalmazott GNSS észlelési technológiát nem csupán a feladat pontossági igénye határozza meg, hanem az adatfeldolgozás elvárt időbelisége is.
Ennek megfelelően beszélhetünk valós idejű, vagy statikus utó-feldolgozásos módszerekről. Az előbbi azonnali eredményeket szolgáltat, így dinamikus, gyors mozgások lekövetésére is alkalmas.
Az utóbbi hosszú észlelésekből szolgáltat mérési adatokat, ezek feldolgozása az adatcsomagok lezárását követően, utólagosan történik. A módszer lassú, hosszú lefolyású mozgások monitorozására alkalmas, ugyanakkor szélső pontosságú eredményeket szolgáltat.
Ha bázis/referencia állomás használatára egyáltalán nem adódik lehetőség a munkaterületen, az PPP-képes (Precise Point Positioning) vevők alkalmazásával kiváltható. Itt is beszélhetünk műholdas korrekciók vételével valós idejű megoldásról (RT-PPP), illetve precíz műholdpálya adatok felhasználásával történő utó-feldolgozásról (Post-processed PPP).
A GNSS-szel támogatott monitoring pontossága a milliméteres nagyságrendűtől a centiméteres nagyságrendűig terjed.
2.5 Speciális monitoring: inSAR
Ugyan a geodéziai észlelések körébe nehezen besorolható, mégis említést kell tenni az inSAR monitoringról.
Az Interferometric Synthetic Aperture Radar (interferometrikus szintetikus apertúrájú radar) egy fejlett műholdas távérzékelési technológia, mely a radar műholdak mikrohullámú jeleinek fázisadataiból szolgáltat nagyméretű földfelszíni területekről akár milliméter nagyságrendű elmozdulási értékeket.
A módszer erőssége az időjárás függetlenségén és a lefedett terület méretén kívül a hatalmas adatmennyiség, amiből dolgozik. A Napszinkron pályán mozgó, radarjeleket kibocsájtó és visszaverődésük idejét regisztráló műholdak ugyanis 14-15x kerülik meg a Földet naponta, ugyanazt a pontját pedig keringési magasságuk függvényében 6-12 naponta „látják”.
III. Mérőállomással támogatott monitoring
Talán a leggyakrabban, legszélesebb szakági körben alkalmazott monitoring.
Amennyiben az adott projekt pontossági előírásainak, illetve a vizsgált objektum várt mozgástartományának kimutatására megfelel, gyakorlatilag bármilyen geodéziai mérőállomással elvégezhető poláris észlelési módszer.
Újra hangsúlyozni kell azonban, hogy az eszköz megválasztása mindenkor a földmérő mérnök feladata és felelőssége.
Ugyanakkor a műszergyárak monitoring célokra szélső pontosságú, kifejezetten erre a célra fejlesztett mérőállomásaikat javasolják.
Ezek általában speciális 1”, illetve 0.5” szög,- valamint 1 mm, vagy 0.8 mm távmérési pontosságú eszközök.
3.1 Mérőállomással támogatott monitoring a gyakorlatban
A monitoring észlelések feldolgozásakor egy kiinduló állapotához képest mutatjuk ki a vizsgált objektum, mérés pillanatában rögzített elmozdulásait, torzulásait.
Ez a mérőállomásos módszer esetén térbeli koordinátaeltérések számításával valósul meg.
A monitoring pontok nullméréséből származó XYZ koordináták kerülnek összehasonlításra az ugyanazokra a pontokra elvégzett, ismétlődő vizsgálati mérésekből származó XYZ koordinátákkal.
Megfelelő mennyiségű mérési adat előállításával és a nyugalmi állapottal való összehasonlításával az időskála mentén mozgási, torzulási tendenciák extrapolálhatók.
Éppen ezért pl. alagútmonitoring esetében a vizsgálati pontokat konvergencia pontoknak is nevezzük, mert a folyamatos és nagytömegű észlelésekből következtetni lehet a prizmák jövőbeli összetartására, egymáshoz való közeledésére, azaz konvergenciájára.
Mivel a módszerrel a vizsgált objektum egyes diszkrét pontjaira kihelyezett prizmákra történik vizsgálat, így azok helyének kijelölése nagyon releváns kérdés.
Cégünk – a TunnelTech Kft. – végezte a parajdi sóbánya katasztrófát követő helyszíni torzulásméréseket.
Az észlelésbe volt olyan monitoring prizma bevonva a veszélyzóna közepén, melynek mozgása mindössze <30 cm-es eltérést mutatott, miközben a körülötte lévő felszíni reflektorok jó része már régen beomlott, eltűnt. Ez a vizsgálati pont tehát nem reprezentálta a terepi állapotokat, nem adott valós képet a torzulásokról.
Természetesen, az alap- és monitoring pontok meghatározásának közös koordináta rendszerben kell megvalósulnia.
Az ehhez szükséges kerethálózat kialakításánál fontos tisztában lenni a projektben elvárt pontossággal, mozgástartománnyal és ezeknek megfelelően kell az alappontokat állandósítani, illetve meghatározásukat követően összemérni és kiegyenlíteni.
A műszerállás minden esetben ezekről, szabadálláspont számítási módszerrel kerül meghatározásra.
Az alappontok elhelyezésekor alapszabály, hogy az állásponttól mért távolságuk 600-800 métert ne haladják meg, illetve, hogy a lehető legjobb meghatározási geometriát biztosítsák.
Ezen felül a műszerállást úgy kell megválasztani, hogy a monitoring pontok maximális távolsága az állásponttól 300-500 méter legyen.
Mi az alappontokon a műszer-reflektor távolság függvényében általában 64 mm, vagy 38.1 mm optikai átmérőjű prizmákat használunk.
A vizsgálati pontokon pedig 25.4 mm átmérőjű miniprizmák kerülnek rögzítésre.
A feladat pontossági elvárásai és a munkaterület jellegzetességei függvényében szükség lehet arra, hogy az alappontokra a prizmákat állandó jelleggel helyezzük ki. Ez történhet pilléren, falikonzolon műszertalpban, kényszerközpontosítóval, vagy falra, plafonra csavarozott, esetleg ragasztott formában.
3.2 Kampányszerű és automatizált észlelések
Ahogy arról korábban szó volt a mérőállomásos monitoring esetében beszélhetünk kampányszerű és automatizált, telepített megoldásokról.
A Robot mérőállomások fedélzeti szoftverei gyakran tartalmaznak monitoring alkalmazást, amik a kampányszerű torzulásvizsgálati észleléseket támogatják.
Ez a gyártó piacpolitikájától függően lehet az alap programcsomag része, illetve térítéses modul. Közös jellemzőjük, hogy a paraméterezést és tájékozást követően a nullméréskor adatbázisukban letárolt vizsgálati prizmákat automatikus irányozzák, mérik, illetve dokumentálják az eltéréseket.
Természetesen, ilyen speciális terepi alkalmazások nélkül is végrehajthatóak az észlelések, mérésrögzítések, illetve kiolvasva azokat a műszerből, készíthető el belőlük a dokumentáció.
A kampányszerű módszer előnye, hogy a megrendelő (pl. kivitelező, üzemeltető) számára kis költséggel jár, illetve a szolgáltató geodéta sincsen egyetlen projektre lekötve. Hátránya viszont pont a geodéziai megfigyelés mozaikszerű rendelkezésre állása.
Ez ugyan szerződésben meghatározott, azonban könnyen lehet, hogy két mérési időpont között bekövetkező esetleges probléma nem kerül azonnali feltárásra, vagy egy nem várt helyzetben (pl.: begyorsuló mozgás, nem várt torzulás) a lényeges információk lesznek nem naprakészek.
Éppen ezért a kampányszerű monitoring észlelést kisebb volumenű projekteken, kisebb várt mozgások esetén, illetve kevésbé balesetveszélyes környezetben érdemes alkalmazni.
Az automatizált monitoring rendszerek a terepen fixen telepített, állandó megoldások.
A mérőállomás előre definiált mérési ciklusban automatikusan végzi el az észleléseket.
A hagyományos módszerhez hasonlóan, a mérőállomás minden ciklus elején szabadálláspont számítással meghatározza saját helyzetét a kerethálózati pontokról.
A mérési adatokat a terepi adatrögzítő egység azonnal továbbítja a feldolgozó rendszerbe.
Ott történik meg a számítás, illetve amennyiben az elmozdulás meghaladja a beállított küszöbértéket, a feldolgozó szoftver riasztást küld a dedikált felhasználóknak.
A terepi monitoring megoldásokat kínáló műszergyártók rendelkeznek vezérlő, feldolgozó, megjelenítő irodai alkalmazással is. Ezek általában saját eszközspecifikus, kvázi zárt szoftvercsomagok.
Ugyanakkor nem egy saját fejlesztésű, gyártófüggetlen automatikus monitoring mérési adatokat feldolgozó, megjelenítő alkalmazás is elérhető a piacon.
Mindkettő használatának megvan a maga előnye és hátránya.
A nagy volumenű kivitelezésekre telepített monitoring rendszerek ritkán korlátozódnak csak a geodéziai észlelésekre.
Leggyakrabban geotechnikai szenzorokkal, pl. inklinométerekkel, extenzométerekkel, konvergecia- és nyúlásmérőkkel kerülnek kiegészítésre. Célszerű, sőt a legtöbb projektben elvárt ezek adatait is együtt kezelni, kiértékelni a mérőállomásokból származó információkkal.
A geodéziai műszergyártók a szoftvereikhez általában adnak ajánlást különféle, jól bevált és kitesztelt 3rd party szenzorokra, ám ezek típusai, fajtái behatároltak.
Egy gyártófüggetlen alkalmazást készítő cég viszont gyakran nyitottabb a felhasználói oldal felől felmerülő újabb fejlesztési igényekre. Ez utóbbi viszont időbe telik és folyamatos tesztelést igényel.
A TunnelTech Kft. számos automatikus monitoring rendszert telepített és üzemelt be.
Fontos, hogy a geodéziai eszközökön felül alkalmazott szenzorok köre már a projekt kezdetén tisztázva legyen, mert szolgáltatóként így tudjuk kiválasztani a leginkább, a feladatra szabott mérőrendszert.
A telepített monitoringrendszerek előnye a gyakorlatilag 7/24/365 rendelkezésre állás, a távoli elérésen keresztüli vezérelhetőség, illetve a helyszíni eseményekhez bármikor igazítható mérési ciklus állítás.
Egyes rendszerek szabadálláspont mérésekor a mérőállomás kompenzátor adataiból számítják a műszerállás esetleges elmozdulását is.
Noha süllyedését kimutatni nem tudják, a két tengely körüli dőlést jelzik, illetve adatait a feldolgozáskor felhasználják.
Képalkotó mérőállomás használata esetén arra is lehetőség van, hogy a geodéta távolról is szemlélhesse a távcsőképet, azaz valós időben azt lássa az irodában, amit a „műszer lát” terepen.
Számos előnye mellett szólnunk kell a telepített rendszerek korlátairól is.
Ezekből telepítéskor legnagyobb fejtörést a munkaterület műszaki infrastruktúrája, illetve annak hiánya okozza. A mérőállomás és adatrögzítő egysége állandó energiaellátást igényel. Üzemeltetéskor a folyamatos, két irányú adatátvitelt is biztosítani kell a terep és az irodai feldolgozó között.
Kiépített internet hiányában mobilnetet szoktunk alkalmazni, illetve térerő hiányában StarLink szolgáltatást. Ezek természetesen eltérő költségekkel járnak.
Látható tehát, hogy egy telepített, automatizált monitoringrendszer megtervezése, költségbecslése, kiépítése és üzemeltetése komoly mérnöki, szakmai feladat.
3.3 Kampányszerű vs. automatizált észlelések
Minden projekt más és más, éppen ezért minden projekt indulásakor mérlegelni kell melyik megoldást választjuk.
A két fent bemutatott módszer összehasonlítását az alábbi táblázat tartalmazza.
IV. Jogi háttér a geodéziai monitoringhoz
Már az elején fontos leszögezni, hogy bármilyen mozgás- és deformáció vizsgálati észlelés végrehajtását, mint egyéb célú földmérési és térképészeti tevékenységgel összefüggő szakmagyakorlást, a 327/2015. (XI. 10.) Korm. rendelet szabályozza.
A kormányrendelet 3. §-ának (2) pontja szerint
(2) Természetes tereptárgyak, illetve építmények mozgás- és deformáció vizsgálati méréseit geodéziai tervezői minősítéssel rendelkező földmérő végezhet.
Ugyanitt a (3) pont kimondja, hogy geodéziai szakértői minősítéssel a szakterületen teljes körűen végezhető az építmények tervezésével, megvalósításával, működtetésével, vizsgálatával kapcsolatos geodéziai vonatkozású kérdések ok-okozati összefüggéseinek értékelése, és mindezekkel kapcsolatban szakértői vélemények készítése, szakmai tanácsadás, javaslattétel.
A fentiek alapján monitoring észlelési tevékenységekhez nem elegendő a földmérő igazolvány megléte, hanem kifejezetten GD-T minősítés szükséges. Ezen mérési eredmények geodéziai elemzéséhez, minták, tendenciák megállapításához, következtetések levonásához pedig elengedhetetlen a GD-SZ jogosultság.
Comments