ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra vyšší geodézie
Podrobné měření pro areál štoly Josef
Detailed Survey for Josef Gallery Complex
Bakalářská práce
Studijní program: Studijní obor:
Geodézie a kartografie Geodézie a kartografie
Vedoucí práce:
Dr. Ing. Zdeněk Skořepa
Vladěna Dvořáková Praha 2013
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracovala samostatně. Všechna použitá odborná literatura a jiné informační zdroje jsou uvedeny v seznamu. Dále mi byly k nápomoci konzultace poskytnuté vedoucím práce Dr. Ing. Zdeňkem Skořepu.
V Praze dne
.............................
...................................... Vladěna Dvořáková
Poděkování
Chtěla bych poděkovat vedoucímu své bakalářské práce Dr. Ing. Zdeňku Skořepovi za poskytnuté konzultace, rady a připomínky. Dále mé poděkování patří Ing. Tomáši Jiříkovskému, Ph.D. za vedení měřických prací a rovněž všem spolužákům, kteří při měření spolupracovali.
Abstrakt Tato bakalářská práce se zabývá geodetickým zaměřením areálu URC (Regionální podzemní výzkumné centrum) Josef. Cílem práce je na základě zaměření vytvořit účelovou mapu této lokality v měřítku 1 : 500. Dále byla zaměřena oblast nad štolou Josef, částí Čelina-západ, vypočítán digitální model terénu a vyhotovena výškopisná mapa. Vybudovaná síť pomocných měřických bodů byla vyrovnána metodou nejmenších čtverců. Součástí práce je také popis lokality a použitých výpočetních a grafických programů.
Klíčová slova Regionální podzemní výzkumné centrum Josef, digitální model terénu, vyrovnání MNČ, výkres, Groma, MicroStation, Atlas DMT
Abstract This bachelor thesis deals with surveying of URC (Underground research center) Josef site. Main goal of the thesis is creation of a thematic map of locality in scale 1 : 500 based on the survey. Besides that, surface area above Josef gallery (section Čelina-West) was surveyed, digital terrain model was calculated and topographic map was created. New auxiliary survey point network was set up and coordinates was adjust by Mean Squared Error method. The thesis contains also introduction of locality and descripting of used computing and graphic softwares.
Key words Underground research center Josef, digital terrain model, Mean Squared Error adjustment, design, Groma, MicroStation, Atlas DMT
Obsah Úvod ................................................................................................................................................... 7 Seznam zkratek .................................................................................................................................. 8 1.
Štola Josef................................................................................................................................... 9 1.1
Historie ............................................................................................................................... 9
1.2
Současnost ....................................................................................................................... 11
1.3
Projekty ............................................................................................................................ 12
TIMODAZ- vliv tepla na ostění .................................................................................................. 12 Mock-Up-Josef.......................................................................................................................... 13 2.
Měření ...................................................................................................................................... 14 2.1
Budování měřické sítě ...................................................................................................... 15
2.2
Zaměření podrobných bodů ............................................................................................. 15
2.3
Použité přístroje ............................................................................................................... 16
Trimble M3 ............................................................................................................................... 16 GNSS přijímač Trimble GeoXR .................................................................................................. 17 3.
Výpočty..................................................................................................................................... 18 3.1
Přehled vzorců:................................................................................................................. 20
3.2
Vyrovnání MNČ ................................................................................................................ 23
Obecný přehled výpočtu vyrovnání MNČ: ............................................................................... 23 4.
Grafická tvorba ......................................................................................................................... 27 4.1
Oborové předpisy ............................................................................................................. 27
4.2
Obsah polohopisné účelové mapy ................................................................................... 27
4.3
Digitální model terénu ..................................................................................................... 29
4.4
MicroStation ..................................................................................................................... 30
4.5
Atlas DMT ......................................................................................................................... 31
Závěr ................................................................................................................................................. 32 Použitá literatura.............................................................................................................................. 33 Seznam obrázků a tabulek ............................................................................................................... 35 Seznam příloh ................................................................................................................................... 36 Elektronické přílohy.................................................................................................................. 36
ČVUT v Praze
Úvod
Úvod Záměrem této práce bylo vytvoření účelové mapy pro Regionální podzemní výzkumné centrum Josef. Areál, patřící ČVUT, postupně vzniká a rozvíjí se od roku 2005. K samotné štole a okolí existují pouze historické dokumentace. V budoucnu je plánováno vytvořit pro štolu geografický informační systém. Proto byla zaměřena také část povrchu nad štolou a vypočítán digitální model terénu. K tachymetrickému měření byla použita totální stanice a GNSS přijímač. Obě měření byla připojena do polohového souřadnicového systému JTSK a do výškového systému Bpv. Pro účely měření byly v areálu stabilizovány pomocné měřické body, jejich souřadnice byly početně vyrovnány metodou nejmenších čtverců. Podrobné body byly zaměřeny polární metodou. Výpočty proběhly v programu Groma. Účelová mapa byla vytvořena v programu MicroStation podle příslušných oborových předpisů, norem ČSN 01 3410 Mapy velkých měřítek, Základní a účelové mapy a ČSN 01 3411 Mapy velkých měřítek, Kreslení a značky. Digitální model terénu byl zpracován v programu Atlas DMT.
7
ČVUT v Praze
Seznam zkratek
Seznam zkratek 2D, 3D
dvoudimenzionální rozměr, trojdimenzionální rozměr
Bpv
Balt – po vyrovnání
CAD
Computer Aided Design, Počítačem podporované navrhování
CEG
Centrum experimentální geotechniky
CZEPOS
Czech Positioning System, Síť permanentních stanic GNSS České Republiky
ČR
Česká Republika
ČVUT
České vysoké učení technické
DMT
Digitální model terénu
GNSS
Global Navigation Satelitte System, Globální družicový polohový systém
JTSK
Jednotná trigonometrická síť katastrální
MDL
MicroStation Development Language, programovací prostředí MicroStationu
MNČ
Metoda nejmenších čtverců
RTK
Real Time Kinematic, Kinematické měření v reálném čase
TS
Totální stanice
URC
Underground Research Center, Regionální podzemní výzkumné centrum
UEF
Undeground Educational Facility, Podzemní výukové středisko
ŽP
Životní prostředí
8
ČVUT v Praze
Štola Josef
1. Štola Josef Štola Josef se nachází ve Středočeském kraji asi 50 km jižně od Prahy, přibližně mezi městy Sedlčany a Dobříš. Samotné důlní dílo prochází v bezprostřední blízkosti obcí Čelina a Mokrsko. Poblíž vstupních portálů leží obec Smilovice, obklopená ze tří stran vodní nádrží Slapy. Štola Josef je během letní sezóny přístupná pro veřejnost, komentované prohlídky probíhají v lokalitě Čelina-západ.
Obr. 1: Lokalizace štoly Josef na mapě
1.1
Historie Oblast s názvem Psí hory, byla známa tím, že zdejší geologické vrstvy v sobě ukrývají
četné zásoby zlata, již ve středověku. První experimenty k zisku zlata zde pravděpodobně uskutečnili již Keltové v 1. až 2. stol. n. l., hlavní rozkvět však místní těžba zažila během 14. stol. Vytěžená ruda byla tehdy drcena v mlýnech a zlato získáváno amalgamací. Následující dlouhá století nebyl o oblast projeven žádný zájem, až do konce 20. stol. V letech 1977 – 1980 proběhl rozsáhlý regionální revizní průzkum hornin Jílovského pásma, jehož jsou Psí hory součástí, a odhalil možnou přítomnost zlatonosného zrudnění. Následoval podrobný místní průzkum, který měl v první řadě odhalit rozsah a kvalitu těchto zásob. Vedle geologických mapování a experimentů nad vzorky půdy a úlomků hornin, bylo provedeno nesčetně povrchových vrtů a v roce 1981 začala ražba průzkumné 9
ČVUT v Praze
Štola Josef
štoly Josef, která trvala 10 let. Pod Veselým vrchem byla zbudována síť chodeb a průzkumných rozrážek o celkové délce téměř 8 km, z toho hlavní chodba směřující k obci Mokrsko měří 1836 m a má průřez o ploše 14 až 16 m2.
Obr. 2: Areál štoly v 80. letech 20. stol.
Výsledkem výzkumu bylo zhodnocení známých ložisek Čelina a Mokrsko-východ, mimo to bylo odhaleno ložisko Mokrsko-západ s odhadovanou zásobou zlata o hmotnosti 75 t. Objem zlata v masívu řadí ložisko k největším v Evropě. Během prací však nebyly nalezeny zlaté žíly, kov se v hornině nachází pouze v rozptýleném stavu. V takových případech je pro těžbu zlata využívána tzv. kyanidová metoda. Při ní se zlato z vytěžené surové horniny získává louhováním v chemických bazénech. Především z ekologických důvodů zatím není s těžbou ložiska do budoucna počítáno. Lámání horniny by muselo být prováděno povrchově, což by znatelně narušilo ráz tamní krajiny. Pro negativní rozhodnutí nahrával také nesouhlas místních obyvatel a velmi blízká poloha řeky Vltavy, významného zdroje vody. Chemické znečištění tohoto toku by způsobilo nedozírné následky. V polovině 90. let byla štola průzkumným týmem definitivně opuštěna a pro další roky upadla do zapomnění. V roce 2000 došlo z bezpečnostních důvodů k zaplombování obou vstupních portálů. Rok 2005 se stal pro důlní dílo průlomovým. Fakulta stavební ČVUT si ho vytipovala jako své experimentální a vzdělávací středisko a se správcem průzkumného díla, kterým je Ministerstva životního prostředí ČR, podepsala smlouvu o zapůjčení díla pro dané účely. Tato myšlenka se zrodila již o dva roky dříve, inspirována podobným projektem univerzity 10
ČVUT v Praze
Štola Josef
Colorado School of Mines v Goldenu. Následovaly roky shánění partnerů, finančních prostředků a vyřizování nezbytných administrativních kroků. Dále probíhaly práce na zpřístupnění chodeb, úpravě vstupních portálů a vybudování zázemí, které stále pokračují. Roku 2007 bylo středisko díky podpoře Ministerstva životního prostředí ČR, obce Chotilsko a společnosti Metrostav oficiálně otevřeno. Tou dobou bylo partnerskou společností Metrostav znovu zpřístupněno prvních 600 m štoly. Nyní už místo slouží jako podzemní výukové středisko Josef (UEF Josef). Od akademického roku 2007/2008 zde probíhá výuka. Studenti bakalářských i magisterských oborů mohou tak propojit své vědomosti s praxí. Mimo to se mohou zapojit do „in situ“ experimentů. [1] [2]
1.2
Současnost Výhradním provozovatelem a iniciátorem vzniku střediska za Fakultu stavební ČVUT
v Praze je Centrum experimentální geotechniky (CEG). Vzniklo v roce 1998 jako samostatné výzkumné pracoviště fakulty zaměřené především na výzkum a pedagogickou činnost.
Obr. 3: Současná podoba vstupních portálů do štoly Josef
Od roku 2009 klade CEG důraz primárně na realizace vědecko-technického parku Regionálního podzemního výzkumného centra URC Josef. Tento projekt navazuje na UEF Josef a jeho cílem je zajistit plynulou součinnost výzkumné činnosti a podzemního střediska. V letech 2010 až 2011 započaly stavební práce pro výstavbu URC Josef. Vznikl oplocený areál a byla zrekonstruována bývalá šachetní budova. Ta je nyní zkolaudována a slouží jako pracoviště CEG, dále nabízí prostory k pronajmutí pro podnikatelské 11
ČVUT v Praze
Štola Josef
subjekty, disponuje zkušební halou a multimediální konferenční místností. Prostředí vědecko-technického parku přilákalo již několik malých a středních firem (FILAMOS s.r.o., WATRAD spol. s r.o., Mott MacDonald CZ spol. s r.o.) i renomované společnosti, například Metrostav a.s., ÚJV Řež a.s., Správa úložišť radioaktivních odpadů. V budoucnu by měly být náplní činnosti centra také tréninkové a rekvalifikační kurzy, marketingové aktivity, expertní služby a akreditované zkušebnictví. [1] [2]
1.3
Projekty Již od vzniku bylo hlavní myšlenkou CEG soustředit svůj potenciál na výzkum
a experimenty v podzemních prostorách. Postupem času, budováním vlastního jména na trhu a vývojem URC Josef si GEC získal mnoho renomovaných partnerů. V roce 2011 byla navázána spolupráce s dalšími firmami, jmenovitě ISATech s.r.o., Geomedia s.r.o., Česká geologická služba a ARCADIS Geotechnika a.s. Mimo tuzemských společností proběhla spolupráce též s mnoha zahraničními subjekty, např. Institut National Polytechnique de Lorraine z Nancy, Universidad Politecnica de Madrid, Posiva Oy z Finska, SCK-CEN z Belgie, ANDRA z Francie, SYNTEF Byggforsk z Norska. Aktivity výzkumu se zaměřují především na oblast ukládání radioaktivních odpadů do hlubinného úložiště a s tím souvisejících témat (např. plynopropustnost horninového prostředí, použití stříkaného backfillu, výzkum materiálů na bázi bentonitů). [2] Zde je uveden popis dvou nejrozsáhlejších instalovaných projektů:
TIMODAZ- vliv tepla na ostění (Thermal Impact on the Damage Zone around a Radioactive Waste Disposal in Clay Host) Nejdéle trvající projekt ve štole Josef zkoumal vliv dlouhodobého působení tepla na stabilitu betonového ostění. Měl za úkol simulovat zatížení teplem, které bude produkovat radioaktivní odpad v kontejneru. Cílem bylo zjistit, zda zatížení nemůže narušit pevnostní charakteristiku betonu a způsobit degradaci ostění. Rozpočet výzkumu byl necelé 4 mil. eur a spolupracovalo na něm 14 evropských institucí. Monitoring „in situ“ modelu ve štole Josef byl jednou součástí projektu a probíhal v letech 2008 až 2010. [2]
12
ČVUT v Praze
Štola Josef
Mock-Up-Josef Projekt zadala a financuje Správa úložišť radioaktivních odpadů v návaznosti na provozování a vyhodnocování obdobného projektu GEC v letech 2002 až 2007. Odlišností od předchozího výzkumu je umístění modelu simulujícího vertikální uložení kontejneru s vyhořelým jaderným palivem do „in situ“ podmínek. Experiment bude dlouhodobě poskytovat data o změnách stavu a deformacích českého bentonitu použitého jako bariéra úložného kontejneru. [2]
13
ČVUT v Praze
Měření
2. Měření Zaměření polohopisných a výškopisných prvků probíhalo v systémech JTSK a Bpv. Vzhledem k rozsahu byla práce rozčleněna do několika dní. Z časového hlediska nebylo možné měřit v jednom bloku. Veškeré terénní práce se uskutečnily mezi 31. 11. 2013 a 31. 1. 2013. Během rekognoskace terénu byl stanoven rozsah práce. Zájmové území se nacházelo uvnitř oploceného areálu, navíc zahrnuje příjezdovou cestu. Pro tvorbu DMT byl zaměřen svah nad vstupními portály štoly, území nad lokalitou Mokrsko-západ a také terén mezi příjezdovou komunikací a jihovýchodní částí areálu, který je tvořen odvalem štoly. Celková plocha území je přibližně 75 000 m2 (určeno graficky na geoportálu INSPIRE [12] z leteckého snímku území, obvod zjednodušen, poloha bodů určena souřadnicemi nebo odhadem).
Obr. 4: Zájmové území 14
ČVUT v Praze
2.1
Měření
Budování měřické sítě V zaměřované oblasti se nacházelo jen několik geodeticky určených bodů
použitelných pro měření. Bod 501 před vstupním portálem a bod 4a nacházející se u příjezdové komunikace, oba body jsou stabilizovány čepovou značkou umístěnou v betonové desce. Posloužily jak pro polohové, tak pro výškové připojení. Další čísla polohově určených bodů v areálu jsou 6001 a 6002, odrazné fólie přilepené nad vstupními portály, a hraniční znak s plastovou hlavou č. 4001. U posledního zmiňovaného bodu byla nejistota stability. Měřené délky neodpovídaly délkám vypočítaným ze souřadnic, a proto byl tento bod zahrnut do vyrovnání jako volný. Síť byla doplněna šesti pomocnými body, v rámci sítě byly měřeny směry, délky a zenitové úhly v nadbytečném počtu. Některá měření byla realizována obousměrně nebo opakovaně, do výpočtu byla zahrnuta všechna měření. Souřadnice pomocných bodů byly určeny polohovým a výškovým vyrovnáním. Body 4500 a 4501 umístěné mimo areál byly určeny GNSS přijímačem metodou RTK (Real Time Kinematic) v síti referenčních stanic CZEPOZ. Měření na bodě probíhalo přibližně minutu. Primárně vytvořené body sítě byly stabilizovány dřevěnými kolíky, na asfaltovém povrchu nástřelovými hřeby. Jelikož se jedná o pomocné měřické body pro jednorázové využití, geodetické údaje a místopisy nebyly vyhotoveny. Bod 5001 sloužící pouze pro doplňkové zaměření malého rozsahu stabilizován nebyl. Observační schéma viz příloha č. 2.
2.2
Zaměření podrobných bodů Většina podrobných bodů byla zaměřena polární metodou pomocí totální stanice
Trimble M3 s udávanou přesností dle tab. 1. Měřilo se tachymetricky (polohové a výškové měření zároveň) z bodů zbudované měřické sítě. Odrazný hranol byl umístěn na výtyčce. Na rohy budov bylo měřeno s úhlovým odsazením. Několik bodů bez přímé viditelnosti ze stanoviska bylo zaměřeno na polární kolmici. K podrobnému měření v areálu se vedl měřický náčrt. Některé body v prostoru nad štolou pro budoucí tvorbu DMT byly zaměřeny GNSS přijímačem Trimble GeoXR metodou RTK v síti referenčních stanic CZEPOZ. Z přijímače byl do počítače přenesen seznam souřadnic v systému JTSK, který nebylo třeba dále zpracovávat.
15
ČVUT v Praze
2.3
Měření
Použité přístroje
Obr. 6: GNSS přijímač Trimble GeoXR
Obr. 5: TS Trimble M3
Trimble M3 Trimble M3 je kompaktní mechanická stanice s volitelnou úhlovou přesností 1 ", 2 ", 3 " nebo 5 ", výrobcem optiky je japonská firma Nikon. Přístroj je vybaven operačním systémem Windows CE Net a polním softwarem Trimble Access umožňujícím pohodlně řešit veškeré geodetické úlohy. [3]
Tab. 1: Technické specifikace TS Trimble M3
Přesnost měření úhlů Dosah dálkoměru
5 ´´ (1,5mgon) - na hranol 1,5 m až 5000 m - bezhranolově 1,5 m až 300 m Přesnost měření délek 3 mm + 2 ppm Zvětšení dalekohledu 30x Typ kompenzátoru, rozsah dvouosý, ± 3,5 ´ Paměť 128 MB RAM, 128 MB Flash výdrž baterie 7,5 až 16 h Ustanovky Nekonečné jemné Centrovač Laserová olovnice Váha přístroje 3,8 kg
16
ČVUT v Praze
Měření
GNSS přijímač Trimble GeoXR Tento přijímač byl představen firmou v roce 2011. Díky integrované anténě je výjimečný především možností měřit přímo v ruce bez výtyčky fixní řešení s centimetrovou přesností. Součástí těla je také fotoaparát s rozlišením 5 MPx. Instalovaným operačním systémem je Windows Mobile 6.5, výpočetním a měřickým softwarem je Trimble Access. [3]
17
ČVUT v Praze
Výpočty
3. Výpočty Veškeré výpočty byly provedeny v programu Groma v. 10. Systém je určen ke komplexnímu zpracování geodetických dat přenesených z totální stanice až po výsledné seznamy souřadnic, dále je možnost ukládat výpočetní protokoly, lze také zobrazit kontrolní kresbu. Práce s programem je pro uživatele intuitivní, funkce jsou uspořádané v roletových menu a spouští se v dialogových oknech.
Obr. 7: Program Groma- dialogové okno zpracování zápisníku
Výpočetní prostředí programu je nutné před otevřením zápisníku vhodně nastavit v menu Soubor→ Nastavení. Jedná se především o nastavení měřítkového koeficientu zahrnujícího měřítkové zkreslení (pro Křovákovo zobrazení) pro danou lokalitu a opravu délky z nadmořské výšky. Výpočet hodnoty se provedl v menu Nástroje→ Křovák zadáním
souřadnic
bodu,
v
tomto
případě
bodu
501.
Výsledný
koeficient
q = 0,999860367836 představuje délkové zkreslení -139,63 ppm. Dále je třeba nastavit používané jednotky, počet desetinných míst a parametry načítaného zápisníku. Pro totální stanici Trimble M3 je to typ Mapa2. Načtením zápisníku jsou měřené délky automaticky zredukovány na vodorovné. 18
ČVUT v Praze
Výpočty
Se zápisníkem měření je možno dále pracovat, menu Měření→ Zpracování zápisníku. V této práci byly použity následující úpravy: •
Oprava refrakce a vlivu zakřivení Země Při měření v reálných podmínkách je dráha paprsku při průchodu zemskou atmosférou zakřivena. Záměra je tečnou tohoto paprsku. Refrakční koeficient je závislý na stavových podmínkách atmosféry, není konstantní a jeho přesné určení je prakticky nemožné. Při přesných prací lze vliv eliminovat správným technologickým postupem. Pro případ úlohy postačuje využít Gaussovu hodnotu refrakčního koeficientu k = 0,13.
•
Výpočet převýšení
•
Redukce směrů Funkce zredukuje osnovy měřených směrů, tak aby první směr na stanovisku byl vždy nulový. Tato úprava umožní následné sloučení měření na jednom stanovisku.
•
Zpracování měření v obou polohách
•
Redukce převýšení na spojnici stabilizačních značek
•
Zpracování opakovaných měření Funkce spočítá průměry opakovaných měření na jeden bod.
•
Zpracování obousměrných měření Zprůměruje délky měřené obousměrně.
Dalším krokem byl výpočet přibližných souřadnic stanovisek pro následné vyrovnání. Body 4100 až 4115 byly určeny polární metodou, body 5001 a 4116 protínáním z délek. Úhly protnutí nemají vhodnou velikost, ale jelikož se jedná pouze o přibližné určení souřadnic, tak to nevadí.
19
ČVUT v Praze
3.1
Výpočty
Přehled vzorců:
Redukce šikmé délky na vodorovnou
ds ρ
z
100+ϕ
h horizontální rovina
100-z+ρ d
(zdánlivý horizont)
H
s R
ϕ
Obr. 8: Vodorovná délka a převýšení
∙ sin
∙ sin 1
nebo
∙ ∙ cos ,
kde ds je šikmá délka, z je zenitový úhel, k je refrakční koeficient ( = 0,13) a R je poloměr Gaussovy referenční koule ( = 6380703,6105 m). Druhý vzorec zahrnuje opravu vlivu refrakce a zakřivení Země.
Délka v nulovém horizontu (s0) ∙ 1 ,
kde d je vodorovná délka, H je nadmořská výška bodu (= 284,544 m).
Redukce délky do zobrazovací roviny [4] ∙ Výpočet zobrazení měřítka m
20
ČVUT v Praze
Výpočty Š = 2 ∙ ∙ ! − 45°",
kde ρ0 = 1 298 039,0046 m, α = 9,931 008 767 325 82, β = 1,020 486 569 309 36,
ρ představuje vzdálenost bodu od počátku soustavy, Š je souřadnice šířky bodu zobrazeného na kužel.
=
ఊ∙ఘ ௦ Š
,
kde γ =1,535 762 769 18·10-7.
Oprava refrakce a vlivu zakřivení Země (viz obr. 8) Oprava ze zakřivení Země #= Oprava z refrakce =%∙ Celková oprava zenitového úhlu = + − # = + % ∙
$ 2∙$
% − = − (1 − ) 2∙$ $ $ 2
Výpočet převýšení (viz obr. 9) ℎ = ∙ cos
ℎ = ∙ cos +
nebo
∙
∙ sin
Druhý vzorec zahrnuje opravu vlivu refrakce a zakřivení Země.
Zpracování měření v obou polohách U bodů, které byly měřeny v obou polohách, byla zprůměrována délka, a dále upraven směr
=
టభ ାటమ ±ଶ ଶ
kde ψ1,2 je směr v první a druhé poloze dalekohledu. 21
,
ČVUT v Praze
Výpočty
Zenitové úhly byly opraveny o indexovou chybu
ସି(భ ାమ )
ଶ
ଶ
= ଵ + = ଵ +
,
kde o1,2 je čtení zenitového úhlu v první a druhé poloze dalekohledu. Indexová chyba vzniká, nejsou-li odečítací indexy vertikálního kruhu ve vodorovné poloze.
Redukce převýšení na spojnici stabilizačních značek ℎ = ℎ + & − & , kde hs-c je převýšení mezi přístrojem a cílovým znakem, vs je výška stroje nad stanoviskem, vc je výška cíle nad bodem. Redukce zenitových úhlů na spojnici stabilizačních značek = + ' = +
Δ& ∙ sin( − #) − Δ& ∙ cos( − #) tj z-ϕ
ti
Ci ϕ
ds
ϕ/2
∆vTC
zij
vc δz
z Ti
Pj
zij
VT Pi
ϕ
S
Obr. 9: Redukce zenitových úhlů na spojnici stabilizačních značek 22
ČVUT v Praze
3.2
Výpočty
Vyrovnání MNČ Vyrovnání sítě je nabídkou programu Groma (Nástroje→ Vyrovnání sítě). Vyrovnání
probíhá metodou nejmenších čtverců, jako zprostředkující veličiny jsou použity vodorovné délky a vodorovné úhly. Na výběr jsou dvě varianty vyrovnání, vázaná nebo volná síť. V případě této práce se jedná o vázanou síť. U bodů s charakteristikou „Pevný“ se souřadnice nevyrovnávají, zůstanou stejné. Polohové a výškové vyrovnání probíhá odděleně, program poskytuje také výpočet charakteristik přesnosti a kontrolu údajů. Nastavené parametry a výsledky jsou uloženy do protokolu. V dialogovém okně se zadávají všechny měřené směry, délky a převýšení v síti, kromě měření mezi pevnými body. Vyrovnání sítě se využívá při nadbytečném počtu měření. Počet bodů v síti je n=n1+n2 (n1… počet určovaných bodů, n2… počet daných bodů). Dané body musejí být alespoň dva, u určovaných bodů je nutnost znát přibližné souřadnice. Za pomocí vypočítaných charakteristik přesnosti byly zobrazeny střední elipsy chyb na určovaných bodech sítě (viz příloha č. 4). Na základě vyrovnaných souřadnic měřických bodů byly vypočteny souřadnice všech bodů podrobného zaměření, a to dávkovým zpracováním polární metody.
Obr. 7: Program Groma- dialogové okno vyrovnání sítě
Obecný přehled výpočtu vyrovnání MNČ: Měřenými veličinami mohou být neorientovaný vodorovný směr ψij, vodorovná délka dij (např. při paralaktickém měření nebo měření pásmem), šikmá délka sdij, zenitový úhel 23
ČVUT v Praze
Výpočty
zij. Měření bude dále označováno jako tij(k), i označuje stanovisko, j cíl nebo levé rameno vodorovného úhlu a k pravé rameno vodorovného úhlu.
Obecný nelineární model měření je -, , - = . , )*+, ,
(3.2.1)
kde *+=L+εL jsou skutečné hodnoty měřených prvků, L jsou měřené hodnoty , εL náhodné chyby měření,
- = 1x0 + ∆x jsou skutečné hodnoty neznámých, ,
1 1
x0 jsou počáteční (přibližné) hodnoty neznámých,
∆x jsou jejich přírůstky (korekce přibližných hodnot) ,
je vektor souřadnic daných bodů.
Zprostředkující veličiny (vodorovný úhel a délka)jsou realizovány funkčními vztahy -, , - = (/+ − /+ ) − )*+, ,
+ − + + − + −
=. ̅ − ̅ ̅ − ̅
-, , - = ̅ − (̅ − ̅ ) + (+ − + ) = . , )*+, , kde ̅ je skutečná vzdálenost bodů i, j. Pro usnadnění výpočtu je rovnice (3.2.1) linearizována 1 ∙ 2 + 3 ∙ ∆, + 4 = . ,
(3.2.2)
kde 4 = )*, ,, , je vektor redukovaných měření, který se vypočte jako rozdíl
zprostředkujících veličin vypočítaných z měření a z přibližných souřadnic, 1 =
(*, , , ,)
je matice parciálních derivací podle měření a 3 = ! (*, , , ,) je matice
plánu (konfigurační matice). Vektor l vyjadřuje rozpor mezi měřením a konfigurací geodetické sítě. Úlohou vyrovnání je tento rozdíl eliminovat. Měření se opraví pomocí oprav v (odhad skutečných chyb
5, přičemž je měření) a počáteční souřadnice určovaných bodů se opraví o hodnotu ∆,
splněna podmínka
5, , = . )* + 6, , + ∆, 24
(3.2.3)
ČVUT v Praze
Výpočty
a po linearizaci (3.2.4)
5 + 4 = . . 1 ∙ 6 + 3 ∙ ∆,
Kovarianční matice měření se vypočte jako 7" = 8 ∙ 9 , kde 8 je střední chyba
jednotková a 9 = : ; , ; , … , ;# je diagonální matice vah měření. Jelikož zprostředkující veličiny jsou různé (vodorovný úhel a délky), mají také různou přesnost
a různou váhu. Obecně ;$ = , kde 8 je známá střední chyba měřeného prvku. Pro síť % %
s měřenými vodorovnými směry a délkami se volí 8 =8& , a pak váha pψ=1 a pd= % , 8& je %
střední chyba směru měřeného v obou polohách,
8'
je střední chyba měřené délky.
Pro vektor skutečných chyb redukovaného měření platí 2( = 2" = 1 ∙ 2"
<( = 1 ∙ 9 ∙ 1 ,
a
(3.2.5)
kde Ql představuje matici váhových koeficientů zprostředkujících veličin. Pro současné splnění kritéria MNČ 6) · 9 · 6 = :=. a podmínky (3.2.4) je využito Lagrangeova postupu hledání minima 5 + 4 = :=. , 6 ∙ 9 ∙ 6 − 2 ∙ > ∙ 1 ∙ 6 + 3 ∙ ∆,
(3.2.6)
kde k je vektor Lagrangeových koeficientů (koreláty). Dále jsou vypočítány nulové první derivace rovnice (3.2.6), po úpravě 9 ∙ 6 − 1 ∙ > = .
a
3 ∙ > = . ,
odtud 6 = 9 ∙ 1 ∙ > .
(3.2.7)
Dosazením (3.2.7) do (3.2.4) je získán předpis pro vektor Lagrangeových koeficientů 5 + 4 = − < 5 + 4 . > = −1 ∙ 9 ∙ 1 ∙ 3 ∙ ∆, ( ∙ 3 ∙ ∆,
(3.2.8)
Dosazením do 3 ∙ > = . a vyřešením normálních rovnic je získán vektor korekcí počátečních hodnot neznámých
5 = −? ∙ 3 ∙ < ∙ 4 , ∆,
25
(3.2.9)
ČVUT v Praze
Výpočty
kde ? = 3 ∙ < ∙ 3 je soustava normálních rovnic. Nakonec vyrovnané souřadnice jsou 5 ,
5. = , + ∆,
Výpočet oprav měřených prvků 6 = 9 ∙ 1 ∙ < ∙ 3 ∙ < ∙ 4 − 4 . ∙ 3 ∙ ?
Vektor vyrovnaných měření *@ = * + 6. Kontrolou vyrovnání je splnění systému rovnic (3.2.3), (3.2.4). Vektor skutečných chyb odhadnutých neznámých je 2 *+ = −? ∙ 3 ∙ < ∙ 2( . Čtverce středních chyb neznámých se nachází na diagonále kovarianční matice 7, = 8, ∙ ? , kde 8, je aposteriorní střední chyba jednotková
, =
࢜࢜∙ࡼ∙ ܂ ´
,
n´ je počet stupňů volnosti (rozdíl počtu měření a hodnosti matice A).
26
(3.2.10)
ČVUT v Praze
Grafická tvorba
4. Grafická tvorba 4.1
Oborové předpisy Jelikož štola Josef je důlním dílem a zaměření povrchového areálu URC Josef je
pouze součástí prováděné dokumentace, bylo nutné mapu vyhotovit v souladu s ostatními výkresy. Toho bylo docíleno následováním vyhlášky Českého báňského úřadu č. 439/1992 Sb., O důlně měřické dokumentaci při hornické činnosti a některých činnostech prováděných hornickým způsobem. Dle této vyhlášky zahrnuje dokumentace k důlnímu dílu následující položky: soubor základních popisných údajů (o ložisku, o ochraně ŽP, …), číselnou část (např. zápisníky, seznamy souřadnic), grafickou část, přehled měření a složku vstupních podkladů a výsledků. Grafická část obsahuje náčrty, základní důlní mapu, profily a řezy, mapu povrchu a účelové důlní mapy. Základní mapa závodu, která byla náplní mé práce, je jednou z účelových důlních map. Je plně vedena podle geodetických předpisů, obvykle v měřítku 1 : 500 nebo 1 : 1000. Odpovídajícími geodetickými předpisy jsou normy ČSN 01 3410 Mapy velkých měřítek, základní ustanovení a ČSN 01 3411 Mapy velkých měřítek, kreslení a značky.
4.2
Obsah polohopisné účelové mapy Obsahem účelové mapy dle jmenovaných norem je polohopis, popis a případně
výškopis. Polohopis a výškopis se zobrazuje jako pravoúhlý průmět na referenční rovinu, v tomto případě do souřadnicového systému JTSK. Předměty se primárně zobrazují dle zaměření, umožňuje-li to jejich rozměr vzhledem k měřítku mapy, v opačném případě se znázorní mapovou značkou. Mapovou značku je možné umístit i uvnitř obrysu předmětu pro vysvětlení jeho významu. Minimální mezeru mezi jednotlivými čárami a značkami výkresu stanovuje norma na 0,35 mm. Pro kreslení účelových map se používají čáry skupiny B (viz tab. 2). Mapové značky předepsaného rozměru se orientují podle typu, buď souhlasně k rámu mapy, nebo rovnoběžně ve vztahu k polohopisu. Mapa se tiskne černobíle nebo ve vícebarevném provedení. Digitální výkres byl rozčleněn do následujících vrstev použitých pro vypsané prvky polohopisu:
27
ČVUT v Praze
Grafická tvorba
BOD_P (ostatní body polohového bodového pole) HRANICE (ohradní zdi a ploty) POZ_DR (druhy pozemků) STAV_OBJ (stavební objekty) KOMUN (asfaltová komunikace, cestní síť, zpevněné chodníky) ING_S (kanalizační šachty, hydrant, vodovodní šoupě, elektrická zařízení) TEZBA (ústí štoly) VODSTVO (vodní plocha- jezírko) OSTATNÍ (vystavené exponáty) POPIS (popis zobrazených prvků) LEGENDA_S (legenda, severka, síť křížků) ID_TAB (identifikační tabulka výkresu)
Tab. 2: Tloušťky čar dle normy ČSN 01 3411
Již během měření bylo důležité znát očekávané měřítko výkresu, aby byl polohopis zaměřen v dostatečném detailu. Vzhledem k rozsahu území bylo zvoleno měřítko 1 : 500 a papír formátu A2. Výkres byl zpracován na základě vedených měřických náčrtů, část měření byla také kódována. Na závěr byl výkres doplněn o síť křížků souřadnicového systému, severku, legendu a identifikační tabulku výkresu.
28
ČVUT v Praze
4.3
Grafická tvorba
Digitální model terénu Vedle výkresu zobrazujícího polohopis byla vyhotovena výškopisná mapa. Pro tvorbu
DMT byl použit program Atlas. Do pracovního prostředí byl načten seznam souřadnic. Z těchto bodů byla vytvořena nepravidelná trojúhelníková síť. Dále byly upraveny obalové trojúhelníky modelu, tak aby nebyl DMT interpolován v okrajových částech, kde nebyly zaměřené body (viz obr. 8). V programu je možné otevřít též výkresy ve formátu DXF. To je vhodné pro usnadnění práce při definování hran. Nad připojeným výkresem polohopisu stačí pouze překreslit obrys objektů příslušnou povinnou spojnicí. Definovány byly lomové hrany a přímé hrany. Lomové hrany byly využity pro umělou změnu průběhu terénu (meze, náspy, cesty). Na těchto spojnicích nedochází k vyhlazení terénu v příčném směru, v podélném směru však ano. Dalším použitým typem byly hrany přímé, a to pro svislé terénní stupně (vstupní portály štoly). Tyto hrany jsou přímé i v reálném prostředí. Pro model byla zvolena hladká varianta, na základě Bezierových ploch. V neposlední řadě byly ohraničeny a definovány oblasti, kde není výpočet DMT žádoucí (vodní plochy, průměty budov do referenční plochy a další). Ukázka práce s Atlas DMT též příloha č. 6.
Obr. 10: Ukázka práce s Atlas DMT, úprava obalových trojúhelníků
Nad těmito upravenými daty byl vypočítán DMT a zobrazeny vrstevnice. Vizuální kontrolou byl model zkontrolován a posléze odstraněny nedostatky. Připojený výkres polohopisu lze ve chvíli, kdy už není potřebný, bez problému z modelu terénu odstranit. Výsledný vrstevnicový plán byl doplněn popisem, severkou a identifikační tabulkou 29
ČVUT v Praze
Grafická tvorba
výkresu připojenou též z jiného výkresu formátu DXF. Vrstevnicový plán z programu Atlas byl exportován také do formátu DXF. Tento formát je poměrně zastaralý, ale přesto stále s výhodou využívaný právě pro širokou kompatibilitu s různým softwarem. Otevřením tohoto souboru spolu s polohopisným výkresem v programu MicroStation vznikl výkres zobrazující polohopis i výškopis.
4.4
MicroStation MicroStation je produktem společnosti Bentley. Jedná se o CAD program
s uplatněním v mnoha rozličných oborech spjatých s grafickou tvorbou výkresů. Své uživatele
program
nalezl
například
mezi
stavebními
inženýry,
v dopravě,
ve
zpracovatelském průmyslu, ve státní správě a samosprávě nebo v inženýrských a telekomunikačních sítích. Vývojem softwaru, který započal již v 80. letech minulého století, se nyní zabývá celá řada subjektů. Nejnovější produkt MicroStation V8i byl uveden na trh v roce 2008, od té doby byl několikrát aktualizován. Program nabízí možnost pracovat s 2D i 3D výkresy. Základním formátem souborů v Microstationu je DGN. Tento formát neobsahuje žádná omezení přesnosti, počtu vrstev či velikosti výkresu nebo buněk. S výhodou ale pracuje s řadou jiných formátů, především s dalšími CAD formáty jako jsou DWG a DXF, a to jak při importu, tak při exportu výkresů. Plnou podporou práce s výkresy vytvořenými ve formátu DGW programem AutoCAD získává tento Bentley software výjimečné postavení mezi grafickými editory. K výkresům lze dále připojit referenční výkresy nebo rastrová data. MicroStation je tedy platformou sloužící pro tvorbu vektorové kresby. Pracovní prostředí programu je poměrně jednoduché a jeho ovládané do jisté míry intuitivní. Vedle klasického roletkového menu se v okně nachází lišta pro rychlý přístup ke zvoleným funkcím (např. volba atributů kresleného prvku, správce vrstev, …), dále panely nástrojů funkcí a samotné okno výkresu s ovladači pohledu. Pracovní prostředí si každý uživatel může upravit podle vlastního zájmu. Další výhodou programu, zejména pro geodetické obory, je možnost propojení Microstationu s Gromou. Groma, jako MDL aplikace, je poté spuštěna přímo z prostředí Microstationu. Poté je možné do grafického prostředí importovat seznamy souřadnic, včetně čísel bodů, výšek a kódů. MDL dovoluje také vytvářet, editovat a ladit knihovny vlastních funkcí.
30
ČVUT v Praze
Grafická tvorba
Při této práci byl do MicroStationu importován seznam souřadnic podrobných bodů a nad ním vznikl výkres. Pro zobrazení polohopisu byly použity přímé linie vložené mezi zaměřené body. Dále byly do programu importovány knihovna čar a knihovna buněk, obsahující mapové značky. Body, které nebylo možné v terénu zaměřit, byly geometricky dokonstruovány (roh budovy pomocí pravého úhlu, lomový bod na plotě jako průsečík polopřímek).
4.5
Atlas DMT Atlas DMT je jedním z produktů firmy Atlas, založené roku 1990. Jedná se o původní
český programový systém určený především pro komplexní zpracování výškových dat. Systém umožňuje práci ve 2D i 3D a je schopen zpracovávat až 40 mil. bodů zároveň. Vedle geodézie si našel Atlas uplatnění i v dalších oborech jako jsou důlní a těžební činnost, stavebnictví nebo hydrologie. Jednotlivé objety výkresu jsou v programu řazeny do hierarchie. Díky tomu je možné pracovat s různými souřadnicemi zároveň. Obvykle se jedné o výkresové a modelové souřadnice. Pracovní okno se skládá z roletového menu, panelů nástrojů a výkresového listu. Kromě výpočtu DMT, lze program používat i jako samostatný grafický editor. Základními vstupními soubory jsou seznam souřadnic ve formátu TXT nebo výkres ve formátu DXF obsahující body pro tvorbu DMT, případně definice povinných spojnic. Lze pracovat i s více vstupními soubory zároveň. Projekty založené v programu jsou ukládány ve formátu A4D, který je však pouze referencí několika souborů obsahujících jednotlivě trojúhelníkovou síť, vrstevnice atd. Výsledný DMT lze exportovat i do obrazových formátů. V Atlasu se dají vytvářet 3D vizualizace (viz příloha č. 7). V nabídce je mnoho možností interpretace terénu, jako například barevná hypsometrie. Šestá verze programu nabízí také připojení WMS služeb. Připojené ortofotomapy se dají použít jako textura 3D modelu, čímž vzniká reálná reprezentace krajiny. WMS služby lze s výhodou použít i při definování hran.
31
ČVUT v Praze
Závěr
Závěr Cíl práce, vytvoření účelové mapy pro Regionální podzemní výzkumné centrum Josef, byl splněn. Byl vykreslen také vrstevnicový plán na základě spočítaného digitálního modelu terénu. Před zahájením prací byla shromážděna potřebná literatura, jako oborové předpisy. Postup a rozsah měření byl konzultován se zadavatelem (Ing. Tomáš Jiříkovský). Měření probíhalo ve dnech 31. 11. 2013 až 31. 1. 2013. Použita byla totální stanice Trimble M3 a GNSS přijímač Trimble GeoXR. Měření bylo připojeno do státních sytému JTSK a Bpv. Výpočty byly uskutečněny v programu Groma v. 10. Síť pomocných měřických bodů byla vyrovnána metodou MNČ. Největší střední souřadnicová chyba pomocného měřického bodu je 14 mm pro polohu, pro výšku je to 7 mm. Tato přesnost je dostačující vzhledem k předmětu úlohy. Podrobné měření bylo použito pro zpracování účelové mapy. Mapa je vyhotovena digitální formou v programu MicroStation V8i dle norem ČSN 01 3410 Mapy velkých měřítek, základní ustanovení a ČSN 01 3411 Mapy velkých měřítek, kreslení a značky. Výchozí měřítko pro tisk bylo zvoleno 1 : 500. Digitální model terénu byl zpracován v programu Atlas DMT 6.
32
ČVUT v Praze
Použitá literatura
Použitá literatura [1]
Podzemní laboratoř Josef- UEF Josef [online]. Plone Foundation a jiní. (Copyright ©2000-2013). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: http://www.uef-josef.eu/
[2]
Centrum experimentální geotechniky [online]. Plone Foundation a jiní. (Copyright ©2000-2013). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: http://ceg.fsv.cvut.cz/
[3]
Geodetické přístroje, GEOTRONICS Praha, s.r.o. [online]. GEOTRONICS Praha, s.r.o. (Copyright ©2008). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: http://www.geotronics.cz/geodeticke-pristroje
[4]
VOBOŘILOVÁ, P. a SKOŘEPA, Z. Geodézie 1,2 (Návody na cvičení). 2. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004.
[5]
SKOŘEPA, Z. Geodézie 4. 2. vydání. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2008.
[6]
BLAŽEK, R. a SKOŘEPA, Z. Geodézie 3 (Výškopis). 3. vydání. Praha: Česká technika- nakladatelství ČVUT, 2009.
[7]
Vyhláška Českého báňského úřadu č.435/1992 Sb., o důlně měřické dokumentaci při hornické činnosti a některých činnostech prováděných hornickým způsobem
[8]
ČSN 01 3410. Mapy velkých měřítek, základní ustanovení. Praha: Vydavatelství norem, 1990.
[9]
ČSN 01 3411. Mapy velkých měřítek, kreslení a značky. Praha: Vydavatelství
norem, 1990.
[10]
MicroStation. [online]. GISoft. (Copyright ©1995-2013). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: www.gisoft.cz/MicroStation/
33
ČVUT v Praze [11]
Použitá literatura
Atlas LTD. [online]. Atlas-spol.s r.o.. (Copyright ©2001-2005). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: http://www.atlasltd.cz/
[12]
Národní geoportál INSPIRE [online]. CENIA. (Copyright ©2010-2013). [vid. 02.05.2013]. Dostupné z: http://geoportal.gov.cz/web/guest/map
34
ČVUT v Praze
Seznam obrázků a tabulek
Seznam obrázků a tabulek Obr. 1: Lokalizace štoly Josef na mapě [12] ……………………………………..……….. 9 Obr. 2: Areál štoly v 80. letech 20. stol. [1] …………………………………….……….. 10 Obr. 3: Současná podoba vstupních portálů do štoly Josef [2] ……………………………11 Obr. 4: Zájmové území [12] …………………………………………………………….. 14 Obr. 5: TS Trimble M3 [3] ………………………………………………………………. 16 Obr. 6: GNSS přijímač Trimble GeoXR [3] ……………………………………….…….. 16 18 Obr. 7: Program Groma- dialogové okno zpracování zápisníku …………..…….…………. Obr. 8: Vodorovná délka a převýšení [4] ……………………………………….……….. 20 Obr. 9: Redukce zenitových úhlů na spojnici stabilizačních značek [6] …………..……. 22 Obr. 7: Program Groma- dialogové okno vyrovnání sítě …..…………………….……… 23 Obr. 10: Ukázka práce s Atlas DMT, úprava obalových trojúhelníků ….. ……….………28 Obr. 11-12: Ukázka práce s Atlas DMT …………………………………………….Příloha 6 Příloha 7 Obr. 13-14: 3D vizualizace DMT, barevná hypsometrie …………………………….. Obr. 15-20: Fotografie ………………………………..……………………………..Příloha 8
Tab. 1: Technické specifikace TS Trimble M3 [3] …………………………………………. 16 Tab. 2: Tloušťky čar dle normy ČSN 01 3411 [9] ……………………………………….. 27
35
ČVUT v Praze
Seznam příloh
Seznam příloh Příloha 1: Přehled měření Příloha 2: Měřická síť Příloha 3: Protokol o vyrovnání sítě Příloha 4: Elipsy chyb – vyrovnaná měřická síť Příloha 5: Výsledky vyrovnání Příloha 6: Ukázky tvorby práce s DMT Atlas Příloha 7: vizualizace DMT Příloha 8: Fotografie ze zaměřovaného území Příloha 9: Účelová mapa – polohopis Příloha 10: Účelová mapa – vrstevnicový plán Příloha 11: Účelová mapa – polohopis, výškopis
Elektronické přílohy Příloha 12: Zápisník měření, totální stanice Příloha 13: Zápisník měření, satelitní přijímač Příloha 14: Výpočetní protokol – přibližný výpočet souřadnic bodů měřické sítě, zpracování zápisníku Příloha 15: Výpočetní protokol – polární metoda dávkou
36
