VĚDECKÉ SPISY VYSOKÉHO UČENÍ TECHNICKÉHO V BRNĚ
Edice Habilitační a inaugurační spisy, sv. 178 ISSN 1213-418X
Otakar Švábenský
APLIKACE ASTRONOMICKÝCH A DRUŽICOVÝCH METOD V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII ISBN 80-214-3011-7
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav geodézie
Doc. Ing. Otakar Švábenský, CSc.
APLIKACE ASTRONOMICKÝCH A DRUŽICOVÝCH METOD V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII APPLICATIONS OF ASTRONOMICAL AND SATELLITE METHODS IN ENGINEERING GEODESY
TEZE PŘEDNÁŠKY K PROFESORSKÉMU JMENOVACÍMU ŘÍZENÍ V OBORU GEODÉZIE A KARTOGRAFIE
BRNO 2005
KLÍČOVÁ SLOVA inženýrská geodézie, geodetická astronomie, družicová geodézie, globální navigační družicové systémy, měření posunů
KEY WORDS engineering geodesy, geodetic astronomy, satellite geodesy, global navigation satellite systems, deformation measurements
© Otakar Švábenský, 2005 ISBN 80-214-3011-7 ISSN 1213-418X
OBSAH
PŘEDSTAVENÍ AUTORA
4
APLIKACE ASTRONOMICKÝCH A DRUŽICOVÝCH METOD V IG
6
1
ÚVOD
6
2
ASTRONOMICKÉ AZIMUTY PŘI MĚŘENÍ POSUNŮ STAVEB
6
2.1 METODIKA MĚŘENÍ ASTRONOMICKÝCH AZIMUTŮ
7
2.2 VYUŽITÍ AZIMUTŮ PŘI ZPRACOVÁNÍ ETAPOVÝCH MĚŘENÍ
9
3
10
DRUŽICOVÉ METODY V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII
3.1 GPS MĚŘENÉ VELIČINY, JEJICH DIFERENCE A KOMBINACE
10
3.2 ASPEKTY PŘESNÝCH GPS APLIKACÍ PRO INŽENÝRSKÉ PROJEKTY
11
3.2.1 Kalibrace GPS antén
11
3.3 ROZVOJ METODIKY GPS MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ
12
3.4 PŘÍKLADY APLIKACÍ GPS METOD V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII
12
3.4.1 Měření geometrických parametrů železniční koleje
12
3.4.2 Měření posunů staveb
13
3.4.3 Lokální účelové sítě
15
3.4.4 Vytyčování a kontrolní měření na stavbách
15
4
ZÁVĚR
16
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
16
PŘEHLED NEJVÝZNAMNĚJŠÍCH PUBLIKACÍ AUTORA
17
KONCEPCE DALŠÍ VĚDECKÉ A PEDAGOGICKÉ ČINNOSTI
20
ABSTRACT
21
3
PŘEDSTAVENÍ AUTORA Doc. Ing. Otakar Švábenský, CSc.
Narozen: 1. května 1947 v Brně
Vzdělání - Střední průmyslová škola stavební v Brně, obor Geodézie a kartografie (1962 – 1966) - ČVUT Praha, Stavební fakulta, obor Geodézie a kartografie (1966 – 1971) - CSc.: 1987, téma disertační práce „Příspěvek k metodice kontrolních geodetických měření na stavbách“, obor Geodézie, školitel Prof. Ing. Dr. Josef Vykutil - Doc.: 1993, téma habilitační práce „Dvojstupňová analýza přesnosti metod vytyčení polohy“, vědní obor Geodézie Zaměření Geodézie, inženýrská geodézie, analýza přesnosti měřických a vytyčovacích úloh, lokální geodetické sítě pro inženýrské projekty, geodetická astronomie, družicová geodézie, globální navigační satelitní systémy, optimalizace observační a zpracovatelské metodiky GPS měření.
-
Zaměstnání 1971 : Geofyzika Brno n.p. 1972 : základní vojenská služba ve VTOPÚ Dobruška 1973 – 1974 : Pozemní stavby Brno n.p. 1975 – 2005 VUT v Brně, FAST, Ústav geodézie Praxe Geodet ve skupině gravimetrického průzkumu (Geofyzika Brno 1971) Měřič a Starší měřič při reambulaci vojenské topografické mapy (základní vojenská služba ve VTOPÚ Dobruška 1972) Stavební geodet (Pozemní stavby Brno 1973 – 1974) Odborný asistent, docent Ústavu geodézie FAST VUT v Brně (1975 – 2005)
Odborné stáže - 1978 : 1 týdenní stáž na TH Leipzig ,Německo (problematika výuky inženýrské geodézie), - 1984 : 1 měsíční stáž na TH Leipzig ,Německo (geodetické vedení panelové výstavby), - 1996 : 1 týdenní stáž na Astronomickém institutu University v Bernu, Švýcarsko (Bernský GPS softwarový systém), - 1999 : 1 týdenní stáž na AR Wroclaw (zpracování GPS měření a koordinace výzkumných aktivit v oblasti Králického Sněžníku. Spolupráce s externí sférou - Spolupráce s Hydroprojektem Brno na geodetickém zajištění výstavby Brněnského oblastního vodovodu , II. stavba (1988 - 1989), - Spolupráce s JE Dukovany při zajištění bezpečnostních měření deformací turbosoustrojí (1989 – 1992), - Spolupráce s MěNV Jihlava při sanaci historických stavebních objektů v centru Jihlavy (1982 – 1987),
4
- Spolupráce s TAZUSem Brno při zajištění geodetické části zatěžovacích zkoušek mostních konstrukcí (1989 – 1994) - Spolupráce s AR Wroclaw při řešení grantů orientovaných na výzkum životního prostředí a geodynamiky horského masivu v oblasti Králického Sněžníku (1992 – 1995) - Spolupráce s VÚGTK Zdiby a ČVUT Praha na řešení grantů GAČR orientovaných na detailní výzkum průběhu geoidu a quasigeoidu v ČR a na rozvoj technologie GPS (1989 – 2005) Řešené projekty (odpovědný řešitel) - 1996 – 1998 : Metodika integrovaných lokálních geodetických sítí, GAČR 103/96/1648, - 2003 – 2005 : Contemporary Geodynamics of the Sněžník Massif in Czech and Polish Parts as Monitored by Geodetical and Satellite Methods. MŠMT-KONTAKT PL 53.
-
-
-
Pedagogická činnost magisterský program přednášky: Geodézie (1989 - 2005), Geodesy (v angl. jazyce, 1998 – 2005), Inženýrská geodézie I, II (1991 – 2005), Geodézie v podzemních prostorách (1992 – 2005), Účelové geodetické sítě (1997 – 2005), Předpisy v inženýrské geodézii (1994 – 2003), vedení diplomantů: 50 obhájených diplomových prací, členství v komisích pro SZZ a obhajoby DP: VUT FAST Brno, ČVUT FS Praha, STU FS Bratislava, členství v pedagogických komisích: Oborová pedagogická komise VUT FAST oboru Geodézie a kartografie (od 1992). doktorský program přednášky: Inženýrská geodézie, Družicová geodézie, Speciální geodetické metody v IG vedení doktorandů: 1 obhájená práce, členství v komisích pro obhajoby doktorských disertačních prací: VUT FAST Brno – Geodézie a kartografie, členství v oborových radách DSP: VUT FAST Brno – Geodézie a kartografie (předseda),
Publikace monografie: 1x editované sborníky vydané knižně v zahraničí: 2x recenzované vědecké časopisy: 22x sborníky mezinárodních vědeckých konferencí: 22x sborníky konferencí a ostatní časopisy:29x výzkumné a expertní zprávy: 9x významná inženýrská díla: 7x recenzní a odborné posudky (články ve vědeckých časopisech, výzkumné zprávy, grantové projekty, habilitační a doktorské práce, učebnice): 22x - skripta: 5x
-
-
Mezinárodní odborné aktivity od 1983 člen čs. národního komitétu FIG (Mezinárodní federace zeměměřičů), 1985 - 1989 vedoucí národní studijní skupiny FIG 6/C Měření deformací, od 1990 národní delegát FIG Komise č. 6 Inženýrská geodézie, od 2002 člen redakční rady zahraničního časopisu „Electronic Journal of Polish Agricultural Universities (Wroclaw, Polsko).
5
APLIKACE ASTRONOMICKÝCH A DRUŽICOVÝCH METOD V IG 1 ÚVOD Geodézie je věda o měření Země. Vedle úloh teoretické povahy jako je určování tvaru a rozměrů Země se zabývá mimo jiné též měřeními pro účely výstavby. Tato disciplína se nazývá inženýrská geodézie a zahrnuje vyhotovování geodetických podkladů pro přípravu a projektování staveb, vytyčování a kontrolní měření na stavbách, měření posunů a přetvoření stavebních objektů, a další speciální geodetické práce související s výstavbou. Typická pro inženýrskogeodetická měření je apriorní specifikace požadované přesnosti výsledných parametrů, jejíž splnění vyžaduje hlubší znalost metod rozborů přesnosti geodetických úloh. Požadovaná přesnost se pohybuje v některých případech až na úrovni mezní chyby 1 mm a méně. Ačkoliv je v inženýrské geodézii tradiční používání klasických terestrických měřících metod, v některých případech lze využívat i metody měření, které jsou vlastní jiným geodetickým oborům, pokud je to přínosné. Astronomie i družicová geodézie využívají měření na mimozemské objekty – hvězdy a umělé družice Země. Ve 3. století př.n.l. Eratosthénes z Kyrény z rozdílu sklonu dopadajících slunečních paprsků ve dvou vzdálených místech určil obvod Země a z něj hodnotu poloměru zemského tělesa. I když vzdálenost obou míst určil nepřímo a přibližně, jeho výsledek se liší od skutečnosti pouze o 7%. Tento na svou dobu pozoruhodný výkon je zároveň prvním doloženým příkladem geodetického využití nebeského tělesa – Slunce. V roce 1957 začala družicová éra, která obohatila geodézii historicky neobvyklou mírou, poprvé umožnila skutečnou globalizaci geodézie a významné zpřesnění hodnot základních geometrických a fyzikálních parametrů zemského tělesa. Dalším pokrokem byla realizace globálních družicových navigačních systémů (prvním byl americký GPS koncem 80tých let minulého století, o něco později pak ruský GLONASS, v závěrečné fázi přípravy je evropský systém GALILEO). Zatímco Eratosthénes se musel spoléhat na informace vůdců karavan o průměrné rychlosti velbloudů a době potřebné na cestu, dnes lze určovat vzájemnou polohu bodů s přesností 1-2 cm, prakticky nezávislou na jejich vzdálenosti. Autor se zabývá ve své specializaci přesnými geodetickými měřeními a v této přednášce uvádí některé příklady uplatnění netradičních metod z oborů geodetické astronomie a družicové geodézie v úlohách inženýrské geodézie. 2
ASTRONOMICKÉ AZIMUTY PŘI MĚŘENÍ POSUNŮ STAVEB
Měření posunů a přetvoření staveb je jednou z nejobtížnějších úloh inženýrské geodézie. Základním problémem je zde určování změn v poloze vztažných (pevných) bodů a pozorovaných bodů osazených na sledovaném objektu ve vymezených časových intervalech - etapách. Vertikální změny jsou zpravidla měřeny samostatně a bez větších metodických problémů, a tak primární důležitost pro spolehlivé určení posunů má první fáze, tj. detekce případné nestability v horizontální poloze vztažných bodů, které jsou osazeny mimo měřený objekt a vzhledem k nimž jsou naměřené změny určovány. Tyto polohové změny se určují relativně, zpravidla vůči poloze určené v počáteční (základní) etapě měření. Dá se říci, že přesnost a spolehlivost výsledků je do značné míry závislá na přesnosti a spolehlivosti ověření stability bodů vztažné soustavy. Vztažné body tvoří vztažnou geodetickou síť a bývají obvykle zajištěny odpovídající stabilizací budovanou v náležitém předstihu před zahájením měření posunů. Praktické zkušenosti ukazují, že nikdy nelze apriori spoléhat na stabilitu vztažných bodů a vždy je nutné ji ověřovat měřením potřebné přesnosti. Jejich stabilita může být porušena působením mnoha faktorů, zejména - dosedáním stabilizace v případech, kdy byly stabilizační práce vykonány v příliš krátkém časovém předstihu před zahájením etapových měření, - geologickými faktory, např. sesouváním, tektonickými jevy apod. - terénními změnami vyvolanými posuny a přetvořeními sledovaného objektu (u bodů nacházejících se v tzv. deformační zóně),
6
-
pohybem stavebních strojů a těžké dopravní techniky. Při rozhodování, který ze vztažných bodů se posunul a v jakém směru, mohou být užitečné astronomické metody, konkrétně měření absolutních astronomických azimutů a jejich změn. S jejich pomocí lze nezávisle určovat časové změny směrů spojnic vztažných bodů, vhodně zvolených z praktického hlediska. 2.1 METODIKA MĚŘENÍ ASTRONOMICKÝCH AZIMUTŮ Astronomická orientace je dosud v běžné geodetické praxi používána zřídka, neboť se má všeobecně za to, že taková měření jsou příliš náročná, neekonomická a vyžadují speciální znalosti a vybavení. Autor ukázal, že k určení astronomického azimutu spojnice bodů a jeho diferencí mezi jednotlivými etapami měření posunů s dostatečnou přesností několika úhlových vteřin není třeba speciálních nákladných astronomických přístrojů. Zcela postačující je běžný vteřinový teodolit a jednoduchá časoměrná výbava. Nikoliv složité je i následné vyhodnocení vlastního měření a vypočet azimutálních diferencí. Vhodné je použití nepřímé metody (obr. 1), při které se výsledný azimut počítá podle schématického vztahu A = AH + ω = AH′ + k A1 + k A2 + ω ′ + kω ( 2.1 ) kde A je astronomický azimut pozemního směru, AH je azimut pomocného nebeského tělesa (Polárka, Slunce), AH′ je předběžný azimut vypočtený ze vztahu sin t tg A′ = , ( 2.2 ) sin ϕ cos t − cos ϕ tg δ k A1 je souhrn časově nezávislých korekcí azimutu, k A 2 je souhrn časově závislých korekcí azimutu, ω ′ je předběžný naměřený horizontální úhel vypočtený ze čtení vodorovného kruhu teodolitu, a kω je souhrn jeho korekcí. Pro detekci vzájemného posunu bodů v deformačních sítích není třeba určovat azimuty spojnic, nýbrž pouze azimutální diference mezi jednotlivými etapami měření posunů. Není proto vůbec nutné uvažovat korekce azimutu k A1 nezávislé na čase. Ze zbývajících korekcí se uplatní pouze ty, které svojí velikostí mohou ovlivnit požadovanou výslednou přesnost. Jedná se zejména o korekci vlivu kolísání zemských pólů a o korekci diference mezi rotačním časem a časem UTC. Velikost korekce vlivu kolísání pólů je závislá na zeměpisné poloze stanoviska a okamžité poloze zemského pólu. Chyba ze zanedbání této korekce může v našich zeměpisných šířkách nabýt hodnoty až 0,9" v azimutální diferenci. Rozdíl DUT1 mezi rotačním časem UT1 a časem vysílaného signálu UTC může dosahovat maximální hodnoty 0,7 sec, což při měření na Polárku může způsobit v azimutální diferenci chybu až 0,4" a není jej tedy vzhledem k vnější přesnosti metody třeba uvažovat. Při měření na Slunce již ovlivnění dosahuje vyšších hodnot a je nutné příslušnou korekci zavádět, přičemž postačuje přesnost určení DUT1 0,1 sec. Strmou záměru na nebeské těleso je nezbytné korigovat o opravu z nesvislosti osy alhidády přístroje. Tuto korekci je možné určit pomocí automatického indexu výškového kruhu, který je běžně k dispozici u moderních teodolitů. Z rozdílů zenitových úhlů ve směrech kolmých k záměře na nebeské těleso se určí příčná složka odklonu osy alhidády od svislice a z ní pak oprava příslušného horizontálního Obr. 1 Nepřímá azimutální metoda směru daná vztahem (Baumann, 1975)
7
1 ( z P − z L ) cot g z , ( 2.3 ) 2 z L jsou čtení výškového kruhu ve směrech kolmých ke korigované záměře (při upnuté ustanovce) a z je zenitový úhel této záměry. Záměru na nebeské těleso je nutné vždy, záměra na pozemní cíl se koriguje tehdy, přesáhne-li její sklon hodnotu 4˚. vliv dalších systematických přístrojových chyb lze omezit úpravou observačního kω =
kde z P , vertikální korigovat Případný postupu. Optickomechanické konstrukce moderních vteřinových teodolitů umožňují dosažení poměrně vysoké přesnosti v určení astronomického azimutu a jeho časových změn. Prakticky se nabízí použití metody měření azimutu pomocí hodinového úhlu Polárky, popř. Slunce s vhodně upraveným observačním postupem. Vybavení tvoří vteřinový teodolit s automatickým indexem výškového kruhu, doplněný osvětlením kruhů a zenitovými okuláry. Časoměrnou výbavu tvoří dobré digitální náramkové hodinky se stopkami a příjímač rozhlasových časových signálů. Korekce pracovních hodin na čas UTC rozhlasového časového signálu se určuje před započetím a po skončení observační série zahrnující 6 – 7 azimutálních jednotek. Autor na základě dlouhodobé zkušenosti navrhl optimální skladbu azimutální jednotky a celého observačního postupu – viz. (Švábenský, 1985). Celková přesnost výsledného azimutu/azimutální diference je závislá hlavně na přesnosti časového přiřazení a na přesnosti odměření zprostředkujícího úhlu ω . Podle zkušeností autora lze pomocí Polárky běžně prakticky dosahovat reálné přesnosti 2"- 3", zkušený měřič může v podmínkách deformačních sítí s relativně krátkými stranami dosáhnout přesností až 1,5". Ze souboru 7 jednotek (2 hodiny měření) lze tak dosáhnout přesnosti (směrodatné odchylky) ≤0,7" v určení azimutálních diferencí. Pomocí Slunce lze dosahovat reálných přesností v určení jednoho azimutu okolo 4", ze souboru 7 jednotek tedy přesnosti azimutálních diferencí < 2". Další zvýšení přesnosti lze dosáhnout rozdělením doby observace na dopolední a odpolední část. (Gerstbach, 1983) uvádí obdobné odhady reálné přesnosti určení azimutu. Uvedený postup určení astronomického azimutu zahrnuje dobu potřebnou k vykonání měření, transportu a zpracování naměřených dat v kanceláři, což může být v některých případech časově nevýhodné. Moderní komplexní geodetické přístroje s digitálním čtením kruhů a automatickým zaznamenáváním a přenosem měřených dat ve spojení s přenosnou výpočetní technikou poskytují možnosti racionalizace celé procedury azimutálního měření a vyhodnocení. Autor vypracoval a prakticky odzkoušel novou metodiku on-line měření astronomických azimutů pomocí Polárky. Úspěšné vykonání on-line měření je podmíněno vzájemně kompatibilním přístrojovým a výpočetním vybavením. Vhodné je použití totální stanice nebo elektronického teodolitu a přenosného počítače (ev. přenosné tiskárny). Počítač musí být vybaven nezbytným komunikačním softwarem pro přenos měřených dat z paměti přístroje do prostředí počítače včetně potřebné formátové konverze a transformace dat. Úspěšné terénní zkoušky byly vykonány se soupravou skládající se z přesné totální stanice Topcon GTS-6A, notebooku a přenosné tiskárny. Autor sestavil originální program "APSON" pro přenos a zpracování dat s možností tisku výstupního protokolu on-line přímo na místě měření. Tento program zajišťuje sekvenční přenos měřených dat v interním formátu FC-2/2C totální stanice, transformaci těchto dat do formátu vhodného pro další zpracování, zálohování dat v počítači a jejich okamžité využití jako vstup do bloku pro výpočet astronomického azimutu. Program "APSON" se vyznačuje dalšími charakteristikami: - měření může být spouštěno jak z řídícího panelu totální stanice, tak z klávesnice notebooku, - využití interních hodin počítače pro záznam času měření, Totální stanice je vybavena automatickým dvojosým kompenzátorem odklonu osy alhidády od svislice, opravené hodnoty horizontálních směrů mají přesnost 0,6 mgon. Přesnost synchronizace hodin počítače s UTC signálem je 0,5 sec. Výpočetní programový modul zajišťuje
8
konverzi měřených směrů na zprostředkující úhly, výpočet korekce časového údaje včetně DUT1 a pohybu pólu, a výpočet předběžného a výsledného azimutu. Výhodou je zde podstatné zkrácení doby mezi vykonáním měření a výstupem výsledků (70-80%) oproti klasickému postupu) s možností přímé kontroly azimutálních sekvencí a včasné detekce případných odlehlých hodnot. 2.2 VYUŽITÍ AZIMUTŮ PŘI ZPRACOVÁNÍ ETAPOVÝCH MĚŘENÍ Zjištěné změny směrů spojnic bodů v deformačních sítích lze jednak zavádět do polohového vyrovnání sítí ve formě dodatečných podmínek, jednak mohou být využity při detekci případných nestabilních bodů v počátečních fázích vyhodnocení. Hlavním přínosem absolutní astronomické orientace při měření posunů a přetvoření je informace o rotaci struktur sítě nezávislá na ostatních měřených úhlových a délkových veličinách vstupujících do horizontálního vyrovnání deformační sítě. Parametrické (zprostředkující) vyrovnání volných geodetických sítí zahrnuje dvě fáze: - vyrovnání vnitřní geometrické struktury sítě, - definitivní umístění této struktury v dané souřadnicové soustavě. V první fázi je využita pouze relativní informace o vzájemné poloze bodů sítě obsažená v měřených veličinách, která je závislá pouze na konfiguraci sítě a přesnosti měření. Vyrovnaná struktura sítě je pak transformována do definitivní polohy s využitím externí datové informace, tj. vstupních (přibližných) souřadnic bodů sítě v daném souřadnicovém systému. Odpovídající počet stupňů volnosti je zde dán defektem hodnosti matice N v systému normálních rovnic N
+
X
B
= 0
( 2.4 )
V případě 2D horizontální sítě je defekt hodnosti roven 4 a příslušné stupně volnosti jsou interpretovány jako parametry konformní transformace: posuny ve směru obou souřadnicových os, pootočení a změna měřítka struktury sítě. Tyto parametry jsou vzájemně nezávislé a mohou být definovány různými způsoby. Například, jestliže se redukují souřadnice bodů sítě vzhledem k jejich těžišti, mohou být transformační parametry počítány individuálně. Volba jednoho identického bodu redukuje počet stupňů volnosti o dva. Takový bod může korespondovat s a) těžištěm všech (nebo vybrané podskupiny) bodů sítě, b) některým vybraným bodem sítě, c) jakýmkoliv bodem nesouvisejícím se strukturou sítě. Rotační parametr eliminující další stupeň volnosti může být definován např. a) pomocí podmínky n
∑(− y
i
i =1
dxi + xi dyi ) = 0
( 2.5 )
b) zafixováním směrníku jedné strany nebo spojnice bodů sítě. Subjektivita ve volbě rotační datové podmínky může být částečně eliminována pomocí absolutní astronomické orientace. Přímo měřená azimutální diference mezi dvěma epochami měření posunů má kvalitu nezávislé informace popisující pootočení struktur sítě. Měřítkový parametr eliminuje zbývající stupeň volnosti a může být určen např. a) splněním podmínky n
∑( x i =1
i
dxi + yi dyi ) = 0
( 2.6 )
b) zafixováním délky jedné strany nebo spojnice bodů sítě. Singularita matice koeficientů normálních matic se odstraní rozšířením systému normálních rovnic o příslušný počet dodatečných podmínkových rovnic (Böhm et al., 1990)
9
GT X
+
= 0
D
tvořených vybranou kombinací linearizovaných datových regularizovaný systém N G X G T 0 K +
( 2.7 ) podmínek uvedených výše. Rozšířený B D
= 0
( 2.8 )
pak poskytuje jednoznačné řešení ve formě vyrovnaných souřadnic všech bodů sítě za současného splnění podmínek jejího umístění a orientace. Metoda astronomické orientace byla autorem úspěšně odzkoušena při měřeních posunů nosné konstrukce nového silničního mostu Polom budovaného v geologicky nestabilním území. Další testování metody se uskutečnilo při dlouhodobém měření posunů a přetvoření dálničního mostu přes Labe v Poděbradech. V obou případech přispělo nasazení této astronomické metody ke zvýšení spolehlivosti vyhodnocených posunů (Švábenský a Weigel, 1989). 3 DRUŽICOVÉ METODY V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII Charakteristické pro současnou geodézii je stále širší využívání metod globálních navigačních satelitních systémů (GNSS) v různých geodetických úlohách. Rovněž významně vzrůstá jejich využití v inženýrské geodézii. Hlavní směry aplikací jsou budování speciálních účelových sítí pro inženýrské projekty, monitorování posunů staveb, vytyčování a kontrolní měření při výstavbě, vytyčování složitých stavebních konstrukcí, dokumentační a inventarizační měření. Spolehlivost výsledků do jisté míry závisí na objektivních faktorech jako okamžitá konstelace družic, stav atmosféry či podmínky na místě měření, významná je též kvalita přístrojového vybavení. Pro některé účely je vhodné využití kinematických metod. Nejdéle fungujícím GNSS systémem je GPS vybudovaný armádou USA v posledním desetiletí minulého století (projekt byl započat v roce 1973, první družice GPS byla vypuštěna v roce 1987, systém byl kompletní v roce 1994) jako ryze vojenský navigační systém. Záhy se však ukázala možnost jeho civilního využití s velkým potenciálem geodetických aplikací a objevily se první komerční aparatury. Ústav geodézie VUT v Brně se stal v roce 1993 prvním vysokoškolským pracovištěm v ČR vybaveným GPS technikou a autor získal příležitost ji aktivně využívat pro výzkumné a pedagogické účely. 3.1 GPS MĚŘENÉ VELIČINY, JEJICH DIFERENCE A KOMBINACE GPS je navigační systém založený na využívání aktivních umělých družic Země a přesné časové synchronizaci. Při geodetickém využití tohoto systému se pracuje se dvěma druhy měřených veličin – kódovými a fázovými měřeními. Zatímco kódová měření poskytují polohové parametry s přesností několika metrů, zpracování fázových měření umožňuje dosahovat přesností pro geodézii mnohem zajímavějších. Geodetický dvojfrekvenční GPS přijímač zaznamenává následující základní měřené veličiny vyjádřené v délkových jednotkách (Hugentobler et al., 2001): L 1i k = ρ ik − I L i2 k = ρ ik −
10
i k
+ ∆ρ ik + c δ
f12 I f 22
P 1i k = ρ ik − I
i k
P i2 k = ρ ik −
2 1 2 2
i k
i k
− c δ i + λ 1 n 1i k
+ ∆ρ ik + c δ
+ ∆ρ ik + c δ
f I f
k
k
k
− c δ i + λ 1 n i2 k ,
− cδ
+ ∆ρ ik + c δ
k
,
i
− cδ
, i
,
( 3.1 )
kde L je fázové a P je kódové měření. Indexy 1,2 označují jednotlivé nosné vlny, index k značí přijímač a index i družici, ρ ik je vzdálenost přijímače a družice, f je frekvence, δ jsou korekce hodin, c je rychlost světla a n je tzv. počáteční ambiguita. Početně lze dále zpracovávat přímo tyto měřené veličiny, výhodnější z hlediska eliminace některých vlivů je vytvářet diference původních měření. Většina postupů pracuje s jednoduchými diferencemi (mezi dvojicí přijímačů) L ikl = L ik − L il , a dvojitými diferencemi (mezi dvojicí přijímačů a dvojicí družic) L ijkl = L ikl − L klj . Často je účelné pracovat s určitými lineárními kombinacemi základních fázových a/nebo kódových měření. Lineární kombinace fázových měření 1 L3 = 2 ( f12 L 1 − f 22 L 2 ) ( 3.2 ) 2 f1 − f 2 se nazývá "ionosphere-free" neboť prakticky eliminuje rušivý vliv ionosféry. Totéž platí pro analogickou kombinaci kódových měření. Další používanou lineární kombinací je tzv. "widelane" kombinace 1 L5 = ( f1 L 1 − f 2 L 2 ) ( 3.3 ) f1 − f 2 používaná pro fázová měření na úrovni dvojitých diferencí pro snadnější detekci fázových skoků (cycle slips) a řešení ambiguit neboť vlnová délka této kombinace je přibližně 4krát větší než původních měření. Principem určování polohy pomocí GPS je prostorové délkové protínání. Metody GPS poskytují absolutní či relativní polohovou informaci ve formě souřadnic nebo souřadnicových diferencí vztažených ke globálnímu geocentrickému ortogonálnímu systému (WGS-84). Z praktických důvodů se globální pravoúhlé souřadnice X, Y, Z transformují na elipsoidické souřadnice ϕ, λ, h a eventuálně na místní horizontální souřadnice n, e, u . Elipsoidické výšky jsou pak ještě transformovány na ortometrické nebo normální výšky. Pro tento krok je třeba znát výšku (kvazi)geoidu Ni definovanou vztahem hi = H i + N i , ( 3.4 ) kde h is elipsoidická výška, H je normální/ortometrická výška, a N je výška (kvazi)geoidu. Na podkladě plošně rozložené množiny bodů na kterých jsou známé nivelační i GPS výšky lze modelovat průběh kvazigeoidu pro dané území. 3.2 ASPEKTY PŘESNÝCH GPS APLIKACÍ PRO INŽENÝRSKÉ PROJEKTY Výsledky GPS měření jsou ovlivňovány mnoha rušivými faktory náhodné i systematické povahy. Lze je v zásadě rozdělit na následující skupiny podle toho, kde vznikají: - konstelace družic (vliv vzájemné konfigurace přijímače a družic vyjadřovaný faktory DOP), - družice (chyby drah družic, chyby hodin družic), - průchod signálu atmosférou (ionosférická a troposférická refrakce), - přijímací aparatura (chyba hodin přijímače, ofsety a variace fázového centra antény), - místo měření (vliv okolního prostředí, chyby centrace, multipath a difrakce signálu). Vlivy těchto faktorů musí být zohledněny při výpočtu a modelovány na příslušné úrovni přesnosti. Některé z nich lze určovat v průběhu zpracování z naměřených dat, jiné musí být zjišťovány speciálními testy, jako např. ofsety a variace fázových center antén. 3.2.1 Kalibrace GPS antén Příjmová charakteristika GPS antény je dána popisem změn místa fázového centra v závislosti na směru přicházejícího signálu. Prakticky to znamená určení souboru geometrických kalibračních parametrů – středních ofsetů (excentricit) fázového centra, a jeho směrově a výškově závislých variací. Kalibrace jsou prováděny buď absolutní metodou určující parametry jednotlivé antény,
11
nebo relativní metodou pracující s párem antén – jedna je referenční (obvykle typu AOAD/M_T) a druhá proměřovaná. V tomto případě se určují relativní kalibrační parametry vzhledem k referenční anténě. P9
P10 TUBO
JZ cc a9 m
P1
JV
Obr. 2 Základna pro kalibraci GPS antén
Obr. 3 Pilíř JZ s centrační deskou
V roce 2003 byla vybudována základna pro relativní kalibrace GPS antén na střešní terase budovy B FAST VUT. Základnu tvoří 5 pilířů rozložených okolo EPN stanice TUBO (obr. 2) vybavených přesným centračním zařízením (obr. 3). Jejich vzájemné polohy jsou určeny s horizontální přesností 0,3 mm a vertikální přesností 0,2 mm. Referenční anténa je typu Leica AT504. (Kratochvíl et al., 2005) uvádí dosahované přesnosti v určení ofsetů fázového centra z 24 hod. kalibrace na úrovni 0,5 mm (horizontální složky), a 0,8 mm (vertikální složka). Výškově závislé variace fázového centra byly určeny s přesností 0,3 mm (L1), resp. 1,7 mm (L2). 3.3 ROZVOJ METODIKY GPS MĚŘENÍ A JEHO VYHODNOCENÍ V roce 1992 byla vybudována lokální výzkumná geodynamická síť „Sněžník“ v česko-polské spolupráci po obou stranách hranice v masivu Králického Sněžníku. Od té doby zde probíhají každoroční měřické kampaně zahrnující GPS a terestrická měření (ED, nivelace, gravimetrie, astronomie). Výsledky těchto kampaní představují bohatý materiál pro experimenty, testy a porovnávání GPS a terestricky odvozených poloh a výšek. V roce 1996-1998 zde probíhaly práce na grantovém projektu ve spolupráci VUT Brno a VÚGTK Zdiby, GO Pecný, jehož byl autor odpovědným řešitelem. Cílem projektu bylo porovnání klasických terestrických geodetických metod s metodami GPS v podmínkách členitého horského terénu a řešení otázek společného zpracování takových různorodých dat. Získané poznatky byly shrnuty do stručné formulace optimalizované metodiky observace a zpracování GPS a terestrických dat v integrovaných geodetických sítích. (Švábenský a Karský, 1998), která byla úspěšně používána i v řadě aplikací GPS metod v inženýrské geodézii. 3.4 PŘÍKLADY APLIKACÍ GPS METOD V INŽENÝRSKÉ GEODÉZII 3.4.1 Měření geometrických parametrů železniční koleje Určování polohového a výškového průběhu koleje je jedním z častých úkolů železniční geodézie. Je zde nezbytné použití přesných měřických technologií pro dosažení normou či projektem předepsaných požadavků na přesnost. Použití klasických terestrických geodetických metod je zde pracné a časově náročné. Proto má význam testování nových měřických postupů při využití nejmodernější techniky. Přínosné zde jsou být kinematické GPS aplikace, které umožňují velmi rychlé určování polohy rozsáhlých bodových polí.
12
Kinematické metody jsou založeny na skutečnosti, že GPS přijímač může zpracovávat družicové signály i za pohybu. Kontinuální kinematická metoda (true kinematic) určuje trajektorii přijímače - získané polohy se vztahují nikoliv ke konkrétním bodům, ale k časovým okamžikům. Stop&Go metoda je postup kombinující kinematický způsob příjmu signálu a statické určování polohy s minimálními observačními dobami. Je nezbytné použití dvojfrekvenčních přijímačů, důležité jsou též dobré příjmové podmínky s GDOP < 8 (lépe GDOP < 5) a pokud možno co nejvíce družic. Některé zkušenosti s aplikacemi kontinuální kinematické GPS metody na železnici jsou popsány v (Jindra, 1994) V letech 1996 a 1997 autor vykonal několik experimentálních GPS Stop&Go měření průběhu železniční koleje. Tato měření byla uskutečněna na vybraných lokalitách železničních tratí: Havlíčkův Brod - Dlouhá Třebová (oblouk o poloměru 300 m), Libice a Stará Boleslav (přímá). GPS měření se konalo v době rekonstrukčních prací jako součást kontrolních měření většího rozsahu (přesná nivelace, přesná polární a protínací měření, metoda záměrné přímky), což umožnilo porovnávat výsledky různých měřických technologií. K měření byly použity dvojfrekvenční GPS aparatury LEICA SR299 a SR399 spolu s některými speciálními měřickými pomůckami, které byly navrženy a vyrobeny na VUT Brno. Výsledky těchto Stop&Go měření (210 bodů v 9 kolejových úsecích s celkovou délkou cca 700 m) ukázaly, že horizontální složka ve směru kolmém k ose kolejnice je měřena s přesností (směrodatná odchylka) mezi 5 - 7 mm. Přesnost vertikální složky je poněkud nižší - experiment ukázal přesnost okolo 10 - 15 mm. Největší amplitudy odchylek byly v mezích ± 10 mm pro horizontální složku a ± 25 mm pro vertikální složku. Porovnání přesné polární metody (total stationing) s GPS Stop&Go metodou ukázalo prakticky stejnou průměrnou přesnost v horizontální složce (Švábenský, 1998). 3.4.2 Měření posunů staveb Jedny z prvních inženýrských aplikací GPS byly při měření posunů. Měření posunů stavebních objektů jsou velmi náročná na přesnost a jsou nákladná a časově náročná. Klasickým příkladem je měření posunů přehrad, kde byla GPS technologie poprvé použita v kombinaci s klasickými terestrickými metodami. (Walser a Egger, 1995) uvádí přesnost dosaženou v průběhu měření posunů přehradní hráze ve švýcarských Alpách za použití dvojfrekvenčních GPS aparatur Leica SR299. Z dvoudenní kampaně s 3,5 hod. seancemi vyplynuly při porovnání s výsledky terestrických metod max. diference 8 mm v horizontální složce a 11 mm ve výškové složce. Později se objevily autonomní kontinuální GPS monitorovací technologie, které přinesly značné ekonomické úspory a zvýšily spolehlivost výsledků. Statická GPS metoda za použití progresivního přístrojového vybavení je schopna nyní poskytovat horizontální přesnost několika málo milimetrů. Uplatněním GPS technologie při měření posunů se autor dlouhodobě systematicky zabývá. Nejrozsáhlejší data a výsledky byly získány při měření Ivančického viaduktu, kde dlouhotrvající problémy s údržbou trati a geometrie koleje v předpolí západní opěry iniciovaly v roce 1999 zahájení geodetického monitoringu ve spolupráci s Ústavem železničních konstrukcí a staveb FAST VUT, který dále pokračuje. Změny prostorové polohy mostní opěry, násypového zemního tělesa a železniční koleje jsou proměřovány kombinací klasických geodetických a GPS družicových metod. Základní metodou měření vertikální složky je přesná nivelace, horizontální složka je určována pomocí GPS ve spojení s klasickým úhlovým a délkovým měřením. Posuny pozorovaných bodů umístěných na opěrách nového i původního mostu jsou měřeny statickou GPS metodou, pro zjišťování okamžitých deformací železničního svršku je používána modifikovaná Stop&Go metoda. Veškerá měření jsou prováděna bez přerušení provozu tratě. GPS měření posunů je navázáno na bod V umístěný na stabilní východní opěře původního mostu, ve vzdálenosti 400 m na druhé straně údolí. Dalším navazovacím bodem je EPN stanice TUBO nacházející se na budově stavební fakulty VUT v Brně ve vzdálenosti 20 km. Místní referenční stanice je na bodě SO stabilizovaném na nefunkční západní opěře původního mostu.
13
Dva monitorované body NS, NJ jsou stabilizovány na západní opěře nového mostu, a další dva body R1, R2 jsou umístěny na jižní straně koruny násypového zemního tělesa. Od roku 1999 již bylo realizováno 17 etap měření posunů. Při GPS měření byly používány v počáteční fázi dvojfrekvenční přijímače Leica SR299/399, Od roku 2001 jsou nasazeny ještě přijímače Leica SR520 s anténami AT502. Používána je statická metoda s několikahodinovými observačními intervaly. Veškerá získaná data byla v roce 2004 znovu zpracována pomocí standardního komerčního programu Leica SKI-Pro ver. 3.0, a paralelně též s Bernese GPS Software ver. 4.2. Vyhodnocení bylo prováděno ve více alternativách (L1, L1+L2, L3 s fixovanými ambiguitami). Kombinace s klasickými geodetickými měřeními umožňovaly provést některá porovnání a odhady přesnosti. V každé etapě byly GPS polohové a výškové diference porovnávány s výsledky klasických geodetických měření. Přesnost horizontální složky byla odhadována porovnáním s výsledky EDM a paralaktického měření délek. Paralaktické délky měly přesnost lepší než 0,5 mm, směrodatná odchylka rozdílů GPS a paralaktické metody byla cca 3 mm. Elektronicky měřené délky byly určovány s přesností 2 – 3 mm + 2 ppm, směrodatná odchylka rozdílů GPS a EDM byla cca 4,5 mm. Porovnání svislých posunů určených přesnou nivelací a vypočtených z GPS výškových rozdílů poskytla odhady směrodatných odchylek, které mohou být považovány za charakteristiky vnější přesnosti GPS měření: průměrná směrodatná odchylka 2,8 mm a max. odchylka 6,0 mm (L1), průměrná směrodatná odchylka 2,6 mm a max. odchylka 5,8 mm (L1+L2), a průměrná směrodatná odchylka 8,1 mm a max. odchylka 12,2 mm (L3).
0,010 0,005
dH [m]
0,000 -0,005 -0,010 -0,015 -0,020 -0,025 2000
L1 L1+L2 L3 PN
2001
2002
2003
2004
2005
čas [roky]
Obr. 4 Vývoj výškového rozdílu V - SO Na obr. 4 je znázorněn časový vývoj výšky bodu SO situovaného na západní opěře původního mostu. Jsou zde porovnány výsledky GPS a přesné nivelace. GPS posuny jsou určovány vzhledem k bodu V , který se nachází na druhé straně mostu ve vzdálenosti 400 m. Mezi výsledky komerčního a vědeckého GPS software zde nebyly podstatné rozdíly. Nejlepší výsledky poskytovalo vyhodnocení L1+L2, L1 vyhodnocení bylo téměř na stejné úrovni přesnosti. L3 vyhodnocení mělo zřetelně nižší přesnost, což je způsobeno nevýznamným vlivem ionosféry na krátké vektory a vyšší úrovní šumu na kombinaci frekvencí L3.
14
dN [m]
Na obr. 5 je znázorněn horizontální posun bodu SO vůči bodu V, odvozený z GPS měření na frekvenci L1. Bod SO se 0,010 posunuje východním směrem rychlostí cca 3 mm/rok, s příčnými výkyvy . Deformace geometrie železniční koleje 0,005 jsou určovány GPS metodou Stop&Go. 2003,8 2004,7 Proměřován je 120 m dlouhý traťový úsek 0,000 v předpolí západní opěry viaduktu. 2000,2 2002,7 V letech 1999 – 2004 bylo zaměřeno 11 etap za účelem monitorování 2001,3 -0,005 okamžitých změn prostorové polohy kolejnicových pásů. V každé etapě bylo vykonáno více nezávislých měření -0,010 s časovými odstupy pro vystřídání 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 konstelace družic. Změny jsou určovány dE [m] vzhledem k místní referenční stanici SO. Měřené body jsou vyznačeny ryskami Obr. 5 Vývoj horizontální polohy SO na bocích hlav kolejnic. Při měření se používá speciální lehký pojízdný nosič umožňující opakované postavení GPS antény s přesností 1–2 mm. Vnější přesnost horizontální polohy byla odhadnuta z rozdílů nezávislých měření a poskytla směrodatné odchylky menší než 5 mm (L1), resp. 6 mm (L1+L2) v severním směru, a menší než 4 mm (L1), resp. 3 mm (L1+L2) ve východním směru. Průměrná vnější výšková směrodatná odchylka byla menší než 8 mm (L1+L2 vyhodnocení) – (Švábenský, 2005). 3.4.3 Lokální účelové sítě Lokální účelové sítě speciálního určení (např. vytyčovací sítě pro náročné inženýrské stavby či pro měření posunů) jsou v současné době budovány převážně technologií GPS nebo kombinací GPS a terestrických metod (ED, triangulace, geometrická a trigonometrická nivelace). Společné zpracování různorodých měření vyžaduje správné vzájemné váhování jednotlivých měřených veličin. Kvalifikovaný přístup musí brát v úvahu skutečnou fyzikální podstatu družicových a klasických měření a spolehlivější odhady reálné přesnosti vstupních dat. Příkladem mohou být vytyčovací sítě tunelů na VMO v Brně realizované Ústavem geodézie za použití statické GPS metody (Pisárecký tunel, tunely Kohoutova a Dobrovského) budované v jednotném systému navázané na bod TUBO. Dosažená relativní přesnost bodů všech těchto sítí byla charakterizována směrodatnými odchylkami v poloze lepší než 10 mm (Švábenský et al., 1996), (Švábenský a Weigel, 2002). 3.4.4 Vytyčování a kontrolní měření na stavbách Vytyčování staveb a kontrolní měření dosažených geometrických parametrů patří mezi obvyklé každodenní úkoly stavebního geodeta. Příslušné metody měření se významně mění s příchodem Real Time Kinematic (RTK) GPS. Tato metoda nyní poskytuje polohové informace v reálném čase na centimetrové úrovni přesnosti. Současně je takové určování polohy rychlejší a ekonomičtější v porovnání s klasickými geodetickými postupy. RTK určování polohy je založeno na využití fázových měření. GPS přijímače jsou často umisťovány na pohybující se konstrukce a tudíž bývá nezbytné využití On-The-Fly (OTF) postupů pro řešení ambiguit. V (O’Meagher, 1997) je popsán složitý systém pro vytyčování polohy stavebních konstrukcí vyvinutý Trimble Navigation Ltd. Tento systém zahrnuje RTK GPS hardware a PC „Target:Structures“ software umožňující efektivní a přesné vytyčování polohy velkých konstrukcí. První zkušenosti s tímto systémem byly získány na Seo-Kang Grand Bridge projektu přes
15
Han River v Soulu, Jižní Korea, kde byl použit pro přesné usazení těžkých ocelových příhradových mostních dílů. Později byl vybrán jako hlavní vytyčovací systém pro stavbu 7,8 km dlouhého mostu, který je součástí mostního spojení mezi Dánskem a Švédskem (Øresund fixed link). Tento projekt zahrnoval přesné polohování kesonů, patek, pilířů, pylonů a nosníků tvořících sekce mostu (East, Elevated a West bridge). K tomu účelu bylo Target:Structure software modifikováno tak, aby umožnilo společné zpracování polohových informací pocházejících z RTK GPS a totálních stanic, čímž byly překonány obtíže s příjmem GPS signálu při spouštění jednotlivých sekcí mostu do jejich konečného umístění. 4 ZÁVĚR Náročné úkoly inženýrské geodézie vyžadují používání adekvátních geodetických technologií. Vedle klasických terestrických metod měření jsou v některých případech využitelné i netradiční metody vlastní jiným oborům geodézie. Tyto metody mohou být přínosné jako doplněk metod klasických nebo je mohou zcela nahradit. Astronomické azimuty představují kvalitativně odlišnou informaci využitelnou při měření posunů stavebních objektů. S jejich pomocí lze nezávisle určovat časové změny směrů v deformačních sítích mezi jednotlivými etapami, což může přispět k včasné detekci nestabilních bodů a ke spolehlivějšímu zpracování sítí v procesu vyrovnání. Autor vypracoval a v praxi ověřil metodiku on-line azimutálních měření, bez nároků na nákladné speciální přístrojové vybavení. Družicová GPS technologie v současné době představuje zajímavou alternativu klasických geodetických metod, a v mnoha případech může být její použití výhodnější z hlediska lepší operativnosti, menší závislosti na místních podmínkách a nižších personálních nároků. GPS měření jsou ovlivňována řadou faktorů majících přímý dopad na přesnost a spolehlivost výsledných parametrů polohy. Na druhé straně i běžně používané firemní softwarové produkty pro zpracování GPS měření dnes umožňují stále pokročilejší zpracování naměřených dat. Využívání progresivních observačních a vyhodnocovacích postupů zvyšuje kvalitativní úroveň výsledků GPS měření a přibližuje ji k milimetrové přesnosti, která je potřebná při měření posunů staveb a v dalších přesných inženýrskogeodetických aplikacích. Další zvýšení efektivity lze očekávat po zprovoznění připravovaného evropského civilního systému GALILEO.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BAUMANN, M.: Praktické odstranění chyb způsobených nedokonale urovnaným teodolitem. Geodetický a kartografický obzor 21 (1975), č. 4, s. 110-112. BÖHM, J., RADOUCH, V., HAMPACHER, M.:, Teorie chyb a vyrovnávací počet. GKP Praha, 1990. 416 s. GERSTBACH, G.: Absolute orientierung in der Landes- und Katastersvermwssung. Ősterr. Zeitschrift für Vermessungswesen und Photogrammetrie 64 (1983), Heft 2, s. 72-81. HUGENTOBLER, U., SCHAER, S., FRIDEZ, P.: Bernese GPS Software Version 4.2. Astronomical Institute, University of Berne, 2001, 515 s. TEUNISSEN P.J.G., KLEUSBERG A.:, GPS for Geodesy. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1998. 650 s. ŠVÁBENSKÝ, O.: K možnosti absolutního určování změn směrů při měření deformací. Knižnice odb. a věd. spisů VUT Brno, 1985, sv. B-103, s. 99-106. ŠVÁBENSKÝ, O. – WEIGEL, J.: Astronomická orientace při měření posunů. In: Sborník referátů mezinárodní X. vědecké konference VUT. Brno, 1989. s. 28-34. ŠVÁBENSKÝ O., ŠVEC, M., WEIGEL J. (1995): Globální polohový systém GPS a geodetické souřadnicové systémy. Exploration Geophysics, Remote Sensing and Environment II. 1 (1995), s. 34-40.
16
ŠVÁBENSKÝ, O., KARSKÝ, G.: Metodika integrovaných lokálních geodetických sítí. GAČR 103/96/1648. Souhrnná zpráva, VUT FAST Brno, 1998. ŠVÁBENSKÝ, O.: GPS ve stavební praxi. In: Sborník semináře Stavba Ostrava – podzim 95, Agentura 7, Ostrava 1995, s. 71-73. ŠVÁBENSKÝ O., WEIGEL J., VITÁSEK J., BUREŠ J.: Zkušenosti s budováním tunelových vytyčovacích sítí pomocí GPS. In: Sborník mezinárodního semináře "Aktuálne problémy inžinierskej geodézie", Bratislava 1996. BUREŠ J., ŠVÁBENSKÝ O., VITÁSEK J., WEIGEL J.: Aspekty budování lokálních účelových sítí pomocí GPS. In: Aplikace metod inženýrské geodézie ve stavebnictví. In: Sborník přednášek. II. mezinárodní stavební veletrh. ČSGK, Brno, 1997, s. 3-10. WEIGEL, J., ŠVÁBENSKÝ, O. (1999): Přesnost GPS výšek v lokálních sítích. In: Sborník (Seminář GPS a výšky) VUT v Brně, s. 55-62. BUREŠ J., ŠVÁBENSKÝ O., WEIGEL J. (2000): Aspekty přesných GPS aplikací pro speciální geodetické práce. In: Sborník (seminář GPS a speciální geodetické práce) VUT v Brně, s. 7986. BUREŠ, J., ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Aspekty přesného vyhodnocení GPS měření v lokálních sítích. In: Sborník referátů mezinárodního semináře Zpracování měření GPS, VUT Brno, únor 2003, s. 73-78 (ISBN 80-86433-19-6). KRATOCHVÍL, R., ŠVÁBENSKÝ, O., BUREŠ, J.: Kalibrace GPS antén na Ústavu geodézie VUT v Brně. In: Sborník referátů mezinárodního semináře Vývoj metod a technologií GPS v geodézii, VUT Brno, únor 2005, s. 81-87 (ISBN 80-86433-32-3). ŠVÁBENSKÝ, O.: Monitorování posunů železničního mostu a přilehlého zemního tělesa. In.: Sborník konference Aktuální problémy inženýrské geodézie 2005, Brno 2005, s. 17-23 (ISBN 80-02-01699-8). WALSER, F. - EGGER, K.: Feasibilities and Limits of GPS in Dam Monitoring. In: Proceedings of the International Symposium „Research and Development in the Field of Dams“, CransMontana, 1995. JINDRA, D.: Possibilities of GPS Employment in Railway Surveys. Geodetický a kartografický obzor 40 (1994), č. 4, s. 71-74. O’MEAGHER, B.: Caisson, Bridge Truss & Tunnel Section Positioning using Real Time Kinematic GPS and Target:Structures Software. In: Proceedings of the International FIG Symposium „Surveying of Large Bridge and Tunnel Projects“. Copenhagen, 1997. HEFTY, J.: Globálny polohový systém v štvorrozmernej geodézii. STU Bratislava, 2005. 112 s. (ISBN 80-227-2027-5). ŠVÁBENSKÝ, O., KARSKÝ, G.: Metodika integrovaných lokálních geodetických sítí. GAČR 103/96/1648. Souhrnná zpráva, VUT FAST Brno, 1998. ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: GPS při budování tunelů pro velký městský okruh v Brně. In.: Sborník VIII. Mezinár. konference Geodézie a kartografie v dopravě. Ostrava 2002, s. 69-74. PŘEHLED NEJVÝZNAMNĚJŠÍCH PUBLIKACÍ AUTORA (výběr z 97 publikací) Monografie CACOŇ S., WEIGEL J., ŠVÁBENSKÝ O., KONTNY B., JAMROZ O.: Geodynamika Masywu Śnieznika i obszarów pryzleglych. In: Masyw Śnieznika. Monografie, Polska Agencja Ekologiczna S.A. Wydawnictwo PAE, Warszawa, 1996, s. 57-70 (ISBN 83-85636-10-2). Příspěvky vydané v editovaných sbornících v zahraničí ŠVÁBENSKÝ, O. Deformation Analysis with Azimuthal Information. In: Wissenschaft. Arbeiten der Universität Hannover, 1996, Proceedings of the 6th International FIG-Symposium on Deformation Measurements, p.721-732, (ISSN 0174-1454).
17
BUREŠ J., ŠVÁBENSKÝ O., ŠVEC, M., VITÁSEK, J., WEIGEL J. (1998): Kombinovaná geodetická měření v síti Sněžník a některé aspekty jejího zpracování. In: Zborník vedeckých prác - sekcia Geodézia a kartografia, STU v Bratislave, p. II - 13-18, (Mezinárodní vědecká konference k 60. výročí stavební fakulty STU v Bratislavě), (ISBN 80-227-1131-4). Vědecké časopisy a knižnice ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Results of Four Years Monitoring of Displacements of Rock Blocks in the Krkonoše Mts. Acta Geodynamica et Geomaterialia Vol.1, No.3 (135), IRSM AS CR, 2004, pp. 75-81 (ISSN 1211-1910). KOSTELECKÝ, J., KOSTELECKÝ, J. (Jr.), PEŠEK, I., ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J., ZEMAN, A.: Detailed geoidal profile on the territory of Czech republic and its interpretation. In: Proceedings of the EGS G9 symposium Geodetic and Geodynamic programmes of the Central European Initiative, Nice, March 2001, Reports on Geodesy No 2 (57), WUT Warsaw, pp. 51-55. ŠVÁBENSKÝ O., WEIGEL J.: GPS vs. Terrestrial Measurements in Local Networks. In: Reports on Geodesy. No. 4 (27). Proceedings of the 4th International Seminar on „GPS in Central Europe“. Penc, Hungary, 7.: 9. May 1997. Warszaw University of Technology, 1997. ŠVÁBENSKÝ O., ŠVEC, M., WEIGEL J. (1995): Globální polohový systém GPS a geodetické souřadnicové systémy. Exploration Geophysics, Remote Sensing and Environment II. 1 (1995), s. 34-40. ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: 10 Years Monitoring of Sněžník Massif - Changes in Czech Part of the Network. Acta Montana IRSM CAS CR (2002) Series A Geodynamics No. 20 (124), pp. 7-11 (ISSN 1211-1910). KOSTELECKÝ, J., KOSTELECKÝ, J. Jr., PEŠEK, I., ŠIMEK, J., ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J., ZEMAN, A.: Quasigeoids for the Territory of the Czech Republic and Their Testing. Proceedings of the EGS G10 symposium Geodetic and Geodynamic Programmes of the Central European Initiative, Nice, April 2002, Reports on Geodesy No 1 (61), WUT Warsaw, pp. 4752. BUREŠ, J., ŠVÁBENSKÝ, O., VITULA, A., WEIGEL, J.: Deformation Measurements During the Reconstruction of the Historical Jezernice Bridge. Zeszyty naukowe Akademii Rolniczej we Wroclawiu Nr. 452, Geodezja i urzadzenia rolne XX, Wroclaw, 2002, pp. 27-35 (ISSN 08677964). ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J., MACHOTKA, R., PODSTAVEK, J.: Recent Geodetic Activities of Brno University of Technology in Sudety Mts. Region. Acta Montana IRSM CAS CR (2003) Series A Geodynamics No. 24 (131), pp. 81-85 (ISSN 1211-1910). KOSTELECKÝ, J., KOSTELECKÝ, J. Jr., PEŠEK, I., ŠIMEK, J., ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J., ZEMAN, A.: Quasigeoids for the Territory of the Czech Republic. Studia Geophysica et Geodaetica 48 (2004), pp. 503-518. CACOŃ, S.,ŠVÁBENSKÝ, O., KONTNY, B., WEIGEL, J., JAMROZ, O., ĆMIELEWSKI, K., BOSY, J., KAPLON, J, MACHOTKA, R.: Deformation Analysis of the Upper Part of the Earth Crust in the Snieznik Massif (Polish and Czech Sides Between 1993 and 2003). Acta Geodynamica et Geomaterialia Vol.1, No.3 (135) IRSM AS CR, 2004, pp. 59-67 (ISSN 12111910). ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Impact of Some Site Dependent Factors on GPS Displacement Monitoring. Acta Geodynamica et Geomaterialia Vol.2, No.3 (139), IRSM AS CR, 2005 (v tisku). SOUKUP, F., ŠVÁBENSKÝ, O., VESELÝ, M., VITÁSEK. J.: Kontrolní měření tvaru kruhové konstrukce. Geodetický a kartografický obzor 1979, č. 12, s. 322-325. ŠVÁBENSKÝ, O.: Rektifikace osového systému stavebního objektu. Geodetický a kartografický obzor 1982, č. 7, s. 180-184.
18
ŠVÁBENSKÝ O.: On-line Azimuthal Measurements in Local Networks. Zeszyty naukowe AR Wroclaw, 1994, Nr. 251, Geodezja i urzadnenia rolne XII, pp. 145-149. ŠVÁBENSKÝ O.-WEIGEL J.-VITÁSEK J.-ŠVEC M.-SOUKUP F.: Measurements in Czech part of the Geodynamical Polygon „Sněžník“., Zeszyty naukove AR Wroclaw, Nr. 255/1994, p.195201. Sborníky mezinárodních vědeckých konferencí ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J. (2004): Optimized Technology for GPS Height Determination. In.: Proceedings of the FIG International Conference „The Olympic Spirit in Surveying“, Section TS7, Athens, 2004.(CD ROM - ISBN 87-90907-30-2). ŠVÁBENSKÝ O., WEIGEL J. : Local Networks for Engineering Projects with Integrated Measuring Technologies. FIG - Reigate press Ltd., GB, July 1998, p.345-353 (XXI International Congress FIG in Brighton, UK, Commission 5 - Positioning and Measurement), (ISBN 0-85406-901-1). ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Accuracy Management in GPS Engineering Applications. In.: Proceedings of the XXII FIG International Congress, Section JS28,Washington, 2002.(ISBN 87-90907-20-5). ŠVÁBENSKÝ, O., ZVĚŘINA, P.: Deformation Measurement of Railway Bridge Abutment Pier. In: Proceedings of the 3rd International FIG Conference on Engineering Surveying, Bratislava, November 2004 (CD ROM) (ISBN 87-90907-34-5). ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Deformation Analysis of Networks with Absolute Orientation. Proceedings of the International Symposium on Modern Geodetic Measurements and Digital Techniques. Budapest, August 1989, p. 479-489. ŠVÁBENSKÝ, O. (1991): Adjustment of Axial System in Finished Building Component. Proceedings of International Symposium on Engineering Surveys, Sofia, September 1991, pp. 123-129. VITÁSEK, J., ŠVÁBENSKÝ, O., FIŠER, Z., VITULA, A. (1991): Temperature Influences in Bridge Deformation Measurements. Proceedings of International Symposium on Engineering Surveys, Sofia, September 1991, pp. 189-195. BUREŠ J., ŠVÁBENSKÝ O., VITÁSEK J. (1998): Engineering applications of GPS. INGEO’98 - Proceedings of the 1st International Conference on Engineering Surveying, Bratislava, p. 6570, (ISBN 80-227-1120-9). ŠVÁBENSKÝ, O.: Overview and Evaluation of Experimental Measurements in Czech Part of the Local Geodynamic Network „Sněžník“, Czech - Polish Workshop on Recent Geodynamics of the East Sudeten and Adjacent Areas, Ramzová, Czech Rep., 1998. ŠVÁBENSKÝ O., VITÁSEK J., WEIGEL J. (1999): Měření geometrických parametrů koleje pomocí GPS. Sborník mezinárodní konference „Geodézia a kartografia v doprave“ , Banská Štiavnica, (ISBN 80-968200-5-2), p. 39-44. ŠVÁBENSKÝ O. (1999): Souborné vyhodnocení GPS měření v lokální síti Sněžník. Sborník XI. mezinárodní vědecké konference VUT v Brně, s. 39-42. (ISBN 80-214-1434-0). WEIGEL, J., ŠVÁBENSKÝ, O., VITÁSEK, J., BUREŠ. J.: Optimalizovaná technologie určování výškových rozdílů metodou GPS. In: Sborník referátů mezinárodná konferencia Geodetické siete, Podbánské, október 2001, GKÚ Bratislava, s. 222-225. ŠVÁBENSKÝ, O.: Uplatnění technologie Globálního Polohového Systému při měření posunů. In: sborník referátů mezinárodní konference “Geodézia, Fotogrammetria a Inžinierska geodézie v informačnej spoločnosti”, STU Bratislava, 2001, s. 233-238 (ISBN 80-227-1589-1). BUREŠ, J., VITULA, A., ŠVÁBENSKÝ, O., WEIGEL, J.: Geodetic Deformation Measurement of Jezernice Viaduct. In: Proceedings of the 2nd International Conference of Engineering Surveying, Bratislava, November 2002, pp. 69-76 (ISBN 80-227-1792-4).
19
KONCEPCE DALŠÍ VĚDECKÉ A PEDAGOGICKÉ ČINNOSTI Ve vědeckých a odborných aktivitách hodlá autor pokračovat v oblastech inženýrské a družicové geodézie. Chce přispívat po teoretické i praktické stránce k rozvoji přesných geodetických měřících metod, k rozvoji aplikací družicových technologií v inženýrské geodézii, nadále se systematicky věnovat zdokonalování metodiky observace a vyhodnocení družicových měření. Znamená to neustále sledovat pokrok v příslušných vědních oborech a specializacích, být v kontaktu s teoretickým a technologickým rozvojem. Velkou výzvou bude očekávané spuštění evropského družicového navigačního systému GALILEO v roce 2008. Tento systém bude kompatibilní s již fungujícími systémy GPS a GLONASS. Kombinované zpracování signálů zajistí zvýšení přesnosti a spolehlivosti družicových měření i pro geodetické účely a bude tak možné je používat i v zastavěných či zalesněných oblastech. Autor hodlá vyvinout úsilí pro včasné získání přístrojového vybavení pro příjem signálů GALILEA a věnovat se analýzám přesnosti a spolehlivosti výsledků měření s kombinací různých signálů. K tomu účelu bude výhodné využívat experimentální přesná bodová pole, především družicovou geodynamickou síť Sněžník. Konkrétní odborné cíle autora pro následující období jsou - dobudování základny pro kalibraci GPS antén po metodické a legislativní stránce, - vybavení pracoviště GPS RTK technologií v souvislosti s využíváním služeb národní sítě CZEPOS, v jejíž struktuře je zařazena i stanice TUBO, - realizace dalších experimentálních GPS měření v síti Sněžník a jejich zpracování, - teoretická příprava využívání systému GALILEO. Další pedagogické působení autora předpokládá kontinuální uplatňování poznatků a zkušeností z vědeckovýzkumné a odborné činnosti ve výukovém procesu, zejména ve specializovaných předmětech magisterského a doktorského studia. Vedení doktorandů chce autor nadále věnovat maximální péči a odpovědnost, neboť je považuje za významný pedagogický úkol zvyšující prestiž a odbornou úroveň pracoviště. Samozřejmá bude snaha autora o stálé zkvalitňování a aktualizaci náplně předmětů, které vyučuje nebo na jejichž výuce se podílí. Úkolem pro nejbližší období bude dokončení příprav a otevření kombinované formy studia oboru geodézie a kartografie na FAST. Dále chce autor pokračovat v angažovanosti v rámci SVOČ. Ve vědeckovýzkumné činnosti se autor chce zaměřit na úsilí o získávání grantových a jiných projektů. Rovněž se podle možnosti hodlá zapojovat do řešitelských týmů zkoumajících úkoly související s problematikou jeho zaměření. Získané nové poznatky a zkušenosti budou autorem prezentovány na národních a mezinárodních konferencích a publikovány v prestižních vědeckých a odborných periodikách. Autor hodlá nadále přispívat k rozvoji mezinárodní vědecké a pedagogické spolupráce. Předpokládá pokračovat v současných úspěšných kontaktech zejména s AR Wroclaw, STU Bratislava, a dále získávat nové zahraniční vědecké a odborné kontakty (TU Wien, Politechnika Warszawa, TU Graz a další) Rovněž tak současné kontakty a spolupráci s domácími pedagogickými a výzkumnými institucemi a pracovišti chce autor nadále rozvíjet. Jedná se zejména o VÚGTK Zdiby, GO Pecný, dále ČVUT v Praze, ÚSMH AV v Praze. Autor rovněž předpokládá další spolupráci s organizacemi v praxi, zejména ČÚZK, Českými drahami aj. Předpokládá též pokračování spolupráce s ČNI v rámci TNK 24 Geometrická přesnost staveb. Hodlá se nadále angažovat v mezinárodní federaci zeměměřičů FIG, a to jak na národním, tak na mezinárodním fóru.
20
SUMMARY Demanding tasks of engineering geodesy have to be fulfilled by employment of adequate advanced geodetic technologies. Besides classical terrestrial measuring methods the other nontraditional methods belonging to another fields of geodesy, as e.g. geodetic astronomy and satellite geodesy, may be used. Such measurements can either enhance the performance of classical geodetic methods, or completely replace them, as in case of GPS. Typical examples are the deformation measurements of constructions, local special networks for engineering purposes, setting out and compliance surveys in all fields of civil engineering. Astronomical azimuthal measurements can be used in deformation measurements. Experience verified that comparatively precise determination of astronomical azimuths and azimuthal differences is not difficult even with current geodetic instrumentation. Most suitable is the method of Polaris hour angle, alternatively the Sun may be used over daytime. Measured azimuthal differences can be introduced into the adjustment process in form of additional conditions for data attachment, namely as a rotation parameter, thus reducing the degrees of freedom by free network adjustment. The azimuthal differences are independent of the interior structure of networks and may therefore contribute to better reliability of deformation analysis results. Author has designed and practically tested a modified procedure of azimuthal measurements, which yields on-line results using the digital measuring technique and a portable computer connected to printer, so it is possible to get results immediately in field.. Satellite GPS technique is in many cases an interesting alternative to the classical terrestrial surveying methods, with clear advantages of better operability, as well as of time and personnel spares. It certainly displays better accuracy performance over long distances, and is practically independent of daytime, weather conditions, without need for visibility between points – the only disadvantage is need for free horizon. GPS measurements are influenced by many disturbing factors, which have direct impact on the accuracy and reliability of results. Most of these factors can be reduced or mitigated by ways of appropriate observing and/or processing techniques which have to benefit from progress in GPS hardware and software development. On the other hand, even the commercial software products offer still more sophisticated evaluation of GPS measurements. Employing of advanced observation and processing procedures brings the GPS results on qualitatively higher level which is more and more nearing the millimeter accuracies needed in deformation surveys of structures and in other precise engineering geodesy applications. Further improvements are expected after completion of new european satellite navigation system GALILEO.
21
