Badanie jaskini

Badanie jaskini

Badanie jaskiń to mapa całości lub części systemu jaskiń , która może zostać sporządzona w celu spełnienia różnych standardów dokładności w zależności od warunków jaskiniowych i wyposażenia dostępnego pod ziemią. Geodezja i kartografia jaskiniowa , czyli tworzenie dokładnej, szczegółowej mapy, jest jedną z najczęściej wykonywanych czynności technicznych w jaskini i jest podstawową częścią speleologii . Ankiety mogą być wykorzystywane do porównywania jaskiń pod względem długości, głębokości i objętości, mogą ujawnić wskazówki dotyczące speleogenezy , dostarczyć odniesienia przestrzennego dla innych obszarów badań naukowych i pomóc odwiedzającym w znalezieniu trasy.

Tradycyjnie badania jaskiń są wykonywane w formie dwuwymiarowej ze względu na ograniczenia druku, ale biorąc pod uwagę trójwymiarowe środowisko wewnątrz jaskini, coraz częściej stosuje się nowoczesne techniki wykorzystujące projektowanie wspomagane komputerowo, aby umożliwić bardziej realistyczne przedstawienie systemu jaskiń.

Historia

Hand-drawn map of a cave, showing meandering underground river passage as well as surface topography including large shakeholes.
Badanie jaskiń Marble Arch z 1908 r. Przeprowadzone przez Yorkshire Ramblers 'Club

Pierwszy znany plan jaskini pochodzi z 1546 roku i przedstawiał sztuczną jaskinię w tufie zwaną Stufe di Nerone (piekarnik Nerona) w Pozzuoli niedaleko Neapolu we Włoszech. Pierwszą naturalną jaskinią, która została zmapowana, była Baumannshöhle w Niemczech , z której zachował się szkic z 1656 roku.

Inne wczesne badanie pochodzi sprzed 1680 roku i zostało wykonane przez Johna Aubreya z Long Hole in the Cheddar Gorge . Składa się z elewacyjnej części jaskini. W następnych latach przeprowadzono wiele innych badań jaskiń, chociaż większość z nich to szkice i mają ograniczoną dokładność. Pierwszą jaskinią, którą prawdopodobnie dokładnie zbadano instrumentami, jest Grotte de Miremont we Francji . Zostało to zbadane przez inżyniera budownictwa w 1765 roku i zawiera liczne przekroje. Édouard-Alfred Martel jako pierwszy opisał techniki geodezyjne. Jego ankiety zostały wykonane przez asystenta, który szedł korytarzem, aż prawie zniknęli z pola widzenia. Martel brał wtedy kompas namiar do światła asystenta i mierzył odległość, podchodząc do asystenta. Byłoby to równoznaczne ze współczesnym badaniem BCRA Grade 2.

Pierwszą jaskinią, której linia środkowa została obliczona przez komputer, jest Fergus River Cave w Irlandii , która została wykreślona przez członków UBSS w 1964 roku. Oprogramowanie zostało zaprogramowane na dużym uniwersyteckim komputerze typu mainframe i sporządzono papierową działkę.

Metodologia

Istnieje wiele odmian metodologii pomiarów , ale większość opiera się na podobnym zestawie kroków, które nie zmieniły się zasadniczo od 250 lat, chociaż instrumenty (kompas i taśma) stały się mniejsze i dokładniejsze. Od późnych lat 90. instrumenty cyfrowe, takie jak dystometry, zaczęły zmieniać ten proces, co doprowadziło około 2007 r. do pojawienia się pomiarów całkowicie bezpapierowych. Główną odmianą normalnej metodologii wyszczególnionej poniżej były urządzenia, takie jak geodeci LIDAR i SONAR, które dają punkt chmura, a nie seria połączonych stacji. Geodezja oparta na wideo istnieje również w formie prototypu.

Geodezja

Zespół badawczy zaczyna od stałego punktu (takiego jak wejście do jaskini) i mierzy serię kolejnych pomiarów linii wzroku między stacjami. Stacje są tymczasowymi stałymi lokalizacjami wybranymi głównie ze względu na łatwy dostęp i dobrą widoczność wzdłuż przejścia jaskiniowego. W niektórych przypadkach stacje pomiarowe mogą być trwale oznaczone, aby utworzyć stały punkt odniesienia, do którego można wrócić w późniejszym terminie.

Pomiary wykonane między stacjami obejmują:

Równocześnie z rejestracją danych w linii prostej rejestrowane są szczegóły dotyczące wymiarów przejścia, kształtu, stopniowych lub nagłych zmian wysokości, obecności lub braku wody stojącej lub płynącej, umiejscowienia godnych uwagi obiektów oraz materiału na podłodze, często za pomocą szkic mapy.

Rysowanie wykresu liniowego

Następnie kartograf analizuje zarejestrowane dane, przekształcając je w pomiary dwuwymiarowe za pomocą obliczeń geometrycznych . Tworzy z nich wykres liniowy ; skalowana geometryczna reprezentacja ścieżki przez jaskinię.

Finalizacja

Następnie kartograf rysuje szczegóły wokół wykresu liniowego, wykorzystując zarejestrowane wówczas dodatkowe dane dotyczące wymiarów przejścia, przepływu wody i topografii podłogi / ściany, aby wykonać kompletne badanie jaskini. Badania jaskiń rysowane na papierze są często przedstawiane w dwuwymiarowych rzutach i / lub profilach , podczas gdy badania komputerowe mogą symulować trzy wymiary. Chociaż pierwotnie zaprojektowane tak, aby były funkcjonalne, niektórzy grotołazi uważają badania jaskiń za formę sztuki. [ kto? ]

Hydropoziomowanie

Hydropoziomowanie to alternatywa dla pomiaru głębokości za pomocą klinometru i taśmy, która ma długą historię stosowania w Rosji. Technika ta jest regularnie stosowana w budownictwie do znajdowania dwóch punktów o tej samej wysokości, jak przy wyrównywaniu podłogi. W najprostszym przypadku stosuje się rurkę z obu końcami rozwartą, przymocowaną do listwy drewnianej, rurkę napełnia się wodą i zaznacza głębokość na każdym końcu. W Rosji pomiary głębokości jaskiń za pomocą hydropoziomowania rozpoczęto w latach 70. XX wieku i uznano je za najdokładniejszy sposób pomiaru głębokości pomimo trudności w korzystaniu z nieporęcznego wówczas sprzętu. Zainteresowanie tą metodą powróciło po odkryciu Voronji w Masywie Arabiki na Kaukazie – obecnie drugiej najgłębszej jaskini na świecie.

Urządzenie hydrolevel używane podczas ostatnich wypraw Voronja składa się z 50-metrowej przezroczystej rurki wypełnionej wodą, która jest zwijana lub umieszczana na szpuli. Na jednym końcu rurki umieszcza się gumową rękawiczkę pełniącą rolę zbiornika, a na drugim metalowe pudełko z przezroczystym okienkiem. Cyfrowy zegarek nurka z funkcją głębokościomierza jest zanurzony w pudełku. Jeżeli gumową rękawicę położymy na jednym stanowisku, a skrzynkę z głębokościomierzem na niższym, to ciśnienie hydrostatyczne między dwoma punktami zależy tylko od różnicy wysokości i gęstości wody, czyli przebiegu trasy rura nie wpływa na ciśnienie w pudełku. Odczyt głębokościomierza daje pozorną zmianę głębokości między wyższą i niższą stacją. Zmiany głębokości są „pozorne”, ponieważ głębokościomierze są skalibrowane dla wody morskiej, a hydropoziom jest wypełniony słodką wodą. Dlatego należy określić współczynnik, aby przeliczyć pozorne zmiany głębokości na rzeczywiste zmiany głębokości. Dodanie odczytów dla kolejnych par stacji daje całkowitą głębokość jaskini.

Dokładność

Dokładność lub stopień badania jaskini zależy od metodologii pomiaru. Powszechnym systemem ocen w ankietach jest system stworzony przez British Cave Research Association w latach 60. XX wieku, który wykorzystuje skalę sześciu stopni.

System oceniania BCRA

Klasyfikacja BCRA dla badania linii jaskini

Stopień 1
Szkic o niskiej dokładności, w przypadku którego nie wykonano żadnych pomiarów
Stopień 2 (stosować tylko w razie potrzeby, patrz uwaga 7)
W razie potrzeby można go użyć do opisania szkicu o pośredniej dokładności między stopniem 1 a 3
Stopień 3
Zgrubny magnetyczny ankieta. Kąty poziome i pionowe mierzone z dokładnością do ±2,5°; odległości mierzone z dokładnością do ±50 cm; błąd pozycji stacji mniejszy niż 50 cm.
Stopień 4 (stosować tylko w razie potrzeby, patrz uwaga 7)
W razie potrzeby można go użyć do opisania przeglądu, który nie spełnia wszystkich wymagań stopnia 5, ale jest dokładniejszy niż przegląd stopnia 3.
Badanie magnetyczne
klasy 5 A.
Kąty poziome i pionowe mierzone z dokładnością do ±1°; należy obserwować odległości i zapisywać je z dokładnością do jednego centymetra, a pozycje stacji określać z dokładnością do mniej niż 10 cm.
Stopień 6
Badanie magnetyczne, które jest dokładniejsze niż stopień 5 (patrz uwaga 5).
Stopień X
Badanie oparte głównie na użyciu teodolitu lub tachimetru zamiast kompasu (patrz uwagi 6 i 10 poniżej).
Notatki
  1. Powyższa tabela jest podsumowaniem, pomijając niektóre szczegóły techniczne i definicje; podane powyżej definicje stopni z przeglądu należy czytać łącznie z tymi uwagami.
  2. We wszystkich przypadkach należy kierować się duchem definicji, a nie tylko literą.
  3. Aby osiągnąć stopień 3, konieczne jest użycie klinometru w przejściach o znacznym nachyleniu.
  4. Aby osiągnąć stopień 5, instrumenty muszą być odpowiednio skalibrowane, a wszystkie pomiary muszą być wykonywane z punktu znajdującego się w obrębie kuli o średnicy 10 cm, wyśrodkowanej na stacji pomiarowej.
  5. Badanie stopnia 6 wymaga użycia kompasu na granicy możliwej dokładności, tj. z dokładnością do ±0,5°; odczyty klinometru muszą być z tą samą dokładnością. Błąd pozycji stacji musi być mniejszy niż ±2,5 cm, co będzie wymagało użycia statywów na wszystkich stacjach lub innych stałych znaczników stacji („haczyków dachowych”).
  6. Badanie stopnia X musi zawierać w notatkach rysunkowych opis zastosowanych instrumentów i technik wraz z oszacowaniem prawdopodobnej dokładności pomiaru w porównaniu z pomiarami stopnia 3, 5 lub 6.
  7. Stopnie 2 i 4 stosuje się tylko wtedy, gdy na pewnym etapie przeglądu warunki fizyczne uniemożliwiły spełnienie przez przegląd wszystkich wymagań dla następnego wyższego stopnia i ponowny pomiar jest niepraktyczny.
  8. Zachęca się organizacje speleologiczne itp. do powielania Tabeli 1 i Tabeli 2 we własnych publikacjach; nie jest do tego wymagana zgoda BCRA, ale tabele nie mogą być przedrukowywane bez tych uwag.
  9. Klasa X jest tylko potencjalnie dokładniejsza niż klasa 6. Nigdy nie należy zapominać, że teodolit/tachimetr jest złożonym precyzyjnym instrumentem, który wymaga znacznego szkolenia i regularnej praktyki, jeśli nie można popełnić poważnych błędów podczas jego użytkowania!
  10. Podczas sporządzania współrzędne geodezyjne muszą być obliczone, a nie rysowane ręcznie za pomocą miarki i kątomierza, aby uzyskać stopień 5.

Klasyfikacje BCRA do rejestrowania szczegółów przejść jaskiniowych

Klasa A
Wszystkie szczegóły przejścia oparte na pamięci. Szczegóły przejścia
klasy B
oszacowano i zarejestrowano w jaskini.
Klasa C
Pomiary detali wykonywane wyłącznie na stanowiskach pomiarowych.
Klasa D
Pomiary detali wykonane na stanowiskach pomiarowych i wszędzie tam, gdzie potrzebne jest wykazanie znacznych zmian wymiarów przejścia.
Notatki
  1. Dokładność detalu powinna być zbliżona do dokładności linii.
  2. Zwykle należy stosować tylko jedną z następujących kombinacji ocen z przeglądu:
    • 1A
    • 3B lub 3C
    • 5C lub 5D
    • 6D
    • XA, XB, XC lub XD

Wykrywanie błędów ankiety

Sprzęt używany do przeprowadzania badań jaskiniowych jest stale ulepszany. Zaproponowano użycie komputerów, systemów bezwładnościowych i elektronicznych dalmierzy, ale obecnie rozwinęło się niewiele praktycznych zastosowań podziemnych.

Pomimo tych postępów, wadliwe instrumenty, nieprecyzyjne pomiary, błędy w zapisie lub inne czynniki mogą nadal skutkować niedokładnymi pomiarami, a błędy te są często trudne do wykrycia. Niektórzy geodeci jaskiniowi mierzą każdą stację dwukrotnie, rejestrując wstecz do poprzedniej stacji w przeciwnym kierunku. Odczyt kompasu wstecznego, który różni się o 180 stopni, i odczyt klinometru, który ma tę samą wartość, ale z odwrotnym kierunkiem (na przykład raczej dodatni niż ujemny), wskazuje, że pierwotny pomiar był dokładny.

Kiedy pętla w jaskini jest badana z powrotem do punktu początkowego, wynikowy wykres liniowy powinien również tworzyć zamkniętą pętlę. Każda przerwa między pierwszą a ostatnią stacją nazywana jest błędem zamknięcia pętli . Jeśli nie widać żadnego pojedynczego błędu, można założyć, że błąd zamknięcia pętli jest spowodowany skumulowanymi niedokładnościami, a oprogramowanie do badań jaskiń może „zamknąć pętlę”, uśredniając możliwe błędy w stacjach pętli. Pętle w celu sprawdzenia dokładności pomiaru można również wykonać, wykonując pomiary na powierzchni między wieloma wejściami do tej samej jaskini.

Użycie radia jaskiniowego o niskiej częstotliwości może również zweryfikować dokładność pomiarów. Jednostka odbiorcza na powierzchni może określić głębokość i lokalizację nadajnika w przejściu jaskiniowym, mierząc geometrię jego fal radiowych. Badanie powierzchni od odbiornika z powrotem do wejścia do jaskini tworzy sztuczną pętlę z badaniem podziemnym, którego błąd zamknięcia pętli można następnie określić.

W przeszłości grotołazi niechętnie przerysowywali złożone mapy jaskiń po wykryciu błędów pomiarowych. Obecnie kartografia komputerowa może automatycznie przerysowywać mapy jaskiń po poprawieniu danych.

Oprogramowanie geodezyjne

Istnieje duża liczba pakietów geodezyjnych dostępnych na różnych platformach komputerowych, z których większość została opracowana przez grotołazów mających podstawy w programowaniu komputerowym. Wiele pakietów sprawdza się szczególnie dobrze w przypadku określonych zadań, w związku z czym wielu geodetów jaskiniowych nie wybiera tylko jednego produktu zamiast drugiego do wszystkich zadań kartograficznych.

Popularnym programem do tworzenia ankiety centralnej jest Survex , który został pierwotnie opracowany przez członków Klubu Jaskiniowego Uniwersytetu Cambridge w celu przetwarzania danych ankietowych z ekspedycji klubowych do Austrii. Został udostępniony publicznie w 1992 roku. Dane linii środkowej można następnie wyeksportować w różnych formatach, a szczegóły jaskini narysować za pomocą różnych innych programów, takich jak AutoCAD , Adobe Illustrator i Inkscape . Inne programy, takie jak „Tunnel” i Therion, mają pełne możliwości edycji linii środkowej i mapy. Szczególnie Therion, gdy zamyka pętle pomiarowe, wypacza fragmenty, aby pasowały do ​​ich długości, co oznacza, że ​​całe fragmenty nie muszą być przerysowywane. W przeciwieństwie do możliwości wypaczania 2D Theriona, CaveWhere wypacza przejścia w 3D. Obejmuje to plan wypaczania i szkice profili. CaveWhere obsługuje również zamykanie pętli (za pomocą Survex) i zapewnia przyjazny dla użytkownika interfejs do wprowadzania i wizualizacji danych z badań jaskiń.

Naziemne jednostki LiDAR znacznie zwiększają dokładność i spadają w cenie. [ potrzebne źródło ] Kilka jaskiń zostało „zeskanowanych” przy użyciu zarówno jednostek LiDAR „czasu przelotu”, jak i „przesunięcia fazowego”. Różnice dotyczą względnych dokładności dostępnych dla każdego z nich. Park Narodowy Oregon Caves został zeskanowany LiDAR w sierpniu 2011 r., Podobnie jak stanowisko archeologiczne Paisley Caves w SE Oregon. [ potrzebne źródło ] Oba zostały zeskanowane za pomocą skanera z przesunięciem fazowym FARO Focus z dokładnością +/-2 mm. Jaskinie Oregon zostały zeskanowane od głównego wejścia publicznego do wyjścia 110 i zostały przebadane pętlą do punktu początkowego. Dane nie są jeszcze dostępne do użytku publicznego, ale kopie są przechowywane zarówno przez US Park Service, jak i współpracowników i-TEN w Portland w stanie Oregon. [ potrzebne źródło ]

Zautomatyzowane metody

górnictwie zaczęto stosować technologię pozycjonowania podziemnego o nazwie HORTA . Technologia systemu nawigacji bezwładnościowej wykorzystuje żyroskop i akcelerometr do pomocy w określaniu pozycji w 3D .

Takie zautomatyzowane metody zapewniły ponad pięćdziesięciokrotny wzrost wydajności pomiarów podziemnych, a także dokładniejsze i bardziej szczegółowe mapy.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cave_survey&oldid=1136315708 ”