THE BIG 3: THE BEST SURVEYING GNSS SENSORS HEAD TO HEAD

In this article, I will provide a comparison of the most important technical specifications of 3 GNSS sensors from a surveyor’s point of view. I will be comparing products from 3 most reputable surveying equipment producers- Leica, Trimble and Topcon. Read more to find out, which one is the best.

GNSS measurements

GNSS (Global Navigation Satellite System) is a satellite system used for determining users geographic location anywhere in the world. GNSS systems use triangulation principle to locate the users position through calculations involving signals from multiple satellites. Each satellite transmits coded signals at precise intervals that receiver converts and calculates into geographical position. For a reliable determination of user’s positon, the reciver must collect at least four or more satellite signals at the same time.

GNSS systems for determining geographic location

Ever since the introduction of GNSS systems for commercial use in 1994, our profession benefited greatly from the wide range of services that GNSS systems provide. Its simplicity, direct results and fast measurements made GNSS sensors indispensable piece of surveyor’s arsenal. With ever growing number of satellite system constellations (GPS, GLONASS, Beidu, Galileo, QZSS) and relatively good prices of these instruments, surveyors use GNSS sensors for a lot of different tasks on the filed – from static or kinematic measurements, stake-outs and so on.

Comparing GNSS sensors

A various number of companies produce GNSS sensors in a wide price range, but in this article, I will present currently the best (in my opinion) products on the market. The main aspect of this comparison will be in the technical data and specifications of these instruments compared to each other and also from a financial point of view. I haven’t been able to actually use any of those instruments, so I cannot judge its user friendliness, battery life and first-hand experience.  First, I will present each of the instruments individually, and then I will compare their technical information in a table to see how they line-up and which is currently the best.

Leica Viva GS16

Leica presented its latest GNSS sensor named Viva GS16 recently on the Intergeo 2016. The manufacturer claims that it is one of the first smart self-learning GNSS sensors on the market. It uses advanced software programs such as RTKPlus and SmartLink to increase your productivity on the field. It is capable of adapting to changing conditions by selecting the optimal signals to deliver best possible position even when you are in a tough environment. Leica claims that users can now enjoy uninterrupted accurate positioning even when local correction services aren’t available due to different obstructions or cellular coverage issues. This model features a large number of channels for improved sensitivity and it’s said to have a very fast initialization process (only few seconds). Users can operate this GNSS antenna with SC20 controller or CS35 tablet.

Leica Viva GS16

Trimble R8

Trimble’s new R8 GNSS sensor comes integrated with so called 360-techology for supporting all current and future GNSS constellations, which should boost its tracking performance in various problematic locations such as near the woods or in dense urban areas. It also features 2 new Maxwell6 chips and offers (like Leica) and huge amount of channels for satellite signal detection. You can use it with Trimble TSC3 controller or Trimble CU tablet. It also features real-time data sharing platform Trimble Access Service, which allows you to transfer your filed data straight to the office.

Trimble R8

Topcon GR-5

Topcon’s flagship GNSS sensor GR-5 features multi-constellation channel Vanguard GNSS chip and all new Universal Tracking Channel Technology, which uses flexible and dynamic tracking methods to automatically select and track any available satellite signal. Similar to its rivals, GR-5 is programmed to also cope with upcoming systems (Galileo etc.). GR-5 also features patented Fence Antenna design, which supposedly brings superior signal reception and advanced multipath rejection in difficult environments. This GNSS sensor is compatible with Trimble TSC3 controller or Topcon Tesla tablet.

Topcon GR-5

Technical data comparisson

If we take a closer look at a technical comparison table, we can see some interesting points. In the number of channels category the winner is Leica Viva GS16 with 555, and Topcon GR-5 coming last with only 226. But (as manufacturer’s data suggests) Topcon GR-5 stands out in the accuracy category in RTK measurements, beating the competition with 5 mm + 0.5 ppm (horizontal) and 10 mm + 0.8 ppm (vertical) accuracy in ideal conditions. Leica Viva GS16 and Trimble R8 have identical technical specification, apart from the memory storage and number of channels. Interestingly enough, all 3 products achieve almost the same accuracy values in static measurements, with only a little difference in Topcon’s static accuracy (vertical) with 0.8 ppm. Trimble R8 turns out to be the most expensive instrument of the 3, again with Topcon in the first place more than 2000 € cheaper than Leica. So, on paper, the best current GNSS sensor for advanced surveying purposes is … Topcon GR-5!

Sources: http://leica-geosystems.com/products/gnss-systems/smart-antennas/leica-viva-gs16, https://www.topconpositioning.com/gnss/integrated-gnss-receivers/gr-5, http://www.trimble.com/Survey/trimbler8gnss.aspx?tab=Receiver_Comparison_Chart, http://searchnetworking.techtarget.com/definition/GNSS

 

Pokemon GO – mobilna senzacija, ki je obnorela svet

 

Prepričan sem, da smo že vsi slišali za mobilno igro, ki je z izidom dne 6.julija v ZDA, in povzročila, da na milijone najstnikov po vsem svetu lovi Pikachu-je, Pidgey-e, Squirtle in ostalo Pokemon druščino. Morda se sprašujete, kakšno povezavo ima ta igra z geodezijo?

Če stvar preučimo malo podrobneje, opazimo da je povezava z geodezijo oz. natančneje kartografijo zelo močna. V igri gre namreč za premikanje osebe (igralca) v resničnem svetu –  lovljenje malih pošastih na resničnih lokacijah, pridobivanje Pokemon predmetov na Pokestopih in bojevanje v Gym-ih. Vse te točke so v igri predstavljene kot objekti na različnih lokacijah po svetu.  Kako so to pri podjetju Niantic, ki je razvilo to igro, dosegli to povezanost med navideznim in resničnim svetom?

Razvoj in začetki igre

Za boljše razumevanje igre se moramo vrniti 20 let v preteklost in razumeti povezavo Johna Hanke-ja, CEO-ja Niantica z Googlom.  Leta 1996 je študent John Hanke ustvaril igro Meridian 59, ki je bila ena izmed prvih MMO (ang. massively multiplayer online game – iger namenjenih velikemu številu igralcev). To igro je še v istemu letu prodal podjetju 3DO in se posveti eni svojih velikih strasti – kartiranju. Leta 2000 je bil lansiran projekt Keyhole, ki je omogočal povezovanje obstoječih kart z aerofotografijami. Leta 2004 je tehnološki velikan Google kupil pravice do projekta Keyhole, in ga nekoliko nadgradil ter ponudil uporabnikom – to poznamo danes pod imenom Google Earth. V istem letu se je John Hanke začel posvečati izdelavi iger, ki temeljijo na uporabi GPS tehnologije, med leti 2004 in 2010 pa je vodil Googlov oddelek Geo, ki je bil ‘krivec’ za izdelavo Google Maps in Google Street View. Veliko točko preloma pa je predstavljalo leto 2010, ko je Hanke ustanovil podjetje Niantic Labs kot start-up podjetje pod pokroviteljstvom Googla, ki se je ukvarjalo z izdelavo igralnega sloja (ang. game layer) na obstoječih kartah Googlovih platform.

Omeniti velja še igro Ingress (pravtako razvita s strani Niantic-a), ki velja za nekakšno predhodnico Pokemon GO. Ta je izšla že v decembru 2012 za naprave s sistemom Android, in predstavlja domišljisko igro, ki jo igra velika množica uporabnikov, ter uporablja lokacijske podatke resničnega sveta za doseganje učinka obogatene resničnosti (augmented-reality). Igra se odvija v igralčevi okolici (glede na njegovo lokacijo), in na kartografskem prikazu vsebuje nekatere elemente (portali, povezave, Exotic Matter itd.), ki so pravzaprav resnične točke (lokacije) s posebnimi lastnostmi, pomembnimi za igro samo.

 

Kartografski elementi v Pokemon GO

Zdi se mi smiselno, da (za tiste, ki igre ne poznate) na kratko opišem njen potek. Vsak igralec Pokemon GO si ustvari svoj lik – pokemon trenerja, s katerim sodeluje v igri. Na zaslonu je prikazana okolica igralca v perspektivnem pogledu, določena na podlagi njegove lokacije, v njej pa se pojavljajo trije tipi objektov, pomembnih za igro, in sicer:

• Pokestop-i: resnične lokacije (zgradbe, skulpture ipd.) prikazane z interaktivnim točkovnim elementom. na katerih igralci pridobivajo različne predmete, povezane z igro

• Gym – resnična lokacija (zgradbe, skulpture ipd), prikazane z interaktivnim točkovnim elementom, na katerih se igralci bojujejo oz. trenirajo v borbah z Pokemoni drugih igralcev
• Pokemoni: majhne pošasti, ki jih pokemon trenerji lovijo, se na zaslonu prikažejo, ko je lokacija igralca dovolj blizu (znotraj dosega) pokemona, ki ga lovijo.

Podatki o lokacijah portalov iz prej omenjene igre Ingress so bili eden izmed pomembnejših surovih podatkov za razvijalce igre Pokemon GO, saj so teh lokacijah v igri sedaj pojavljajo Pokestop-i in Gym-i. Te lokacije, ki jih predstavljajo predstavljajo različne javne skulpture, zgodovinski kraji, zgradbe z zanimivimi arhitekturnimi značilnostmi ipd. so igralci Ingressa predložili Nianticu, ki jih je nato uporabil v igri Pokemon GO.  Poleg omenjenih točkovnih elementov je na kartografskem prikazu izrisana še naslednja vsebina:

• Ceste: izrisane kot linijski elementi, temnejše modre barve z rumeno obrobo
• Objekti : Temnejše zelene barve, prikazani v tlorisu, in rahlo dvignjeni nad teren (podan prostorski učinek objekta)
• Teren: generično prikazan z različnimi odtenki zelene, neupoštevajoč vegetacijo, relief, urbanizacijo ipd.
• Vode: prikazane z modro barvo, in sicer le večja vodna telesa, kot so reke, jezera in morja.
• Kompas: prikazan v zgornjem desnem delu zaslona, rdeči del kaže smer proti severu

Lokacijo igralca igra pridobiva na različne načine, glede na to, kaj je na voljo, in sicer: preko GPS sprejemnika, ki mora biti skozi igro vedno prižgan, preko mobilnega omrežja ali preko Wi-Fi omrežja ali kot kombinacijo teh načinov določanja. Vseeno je pri samem določanju lokacije v igri še veliko težav, največ seveda v notranjosti objektov, kjer se težko zanesemo na GPS singal.

Iz geodetskega vidika je natančnost določitve položaja relativno slaba, vendar za potrebe igre dovolj dobra, saj je doseg igralca (obarvan krog, znotraj katerega lahko potekajo interakcije z drugimi elementi v igri)po moji oceni približno 40-50m.

Iz tehnološkega vidika pa je zanimiva tudi opcija AR (augmented reality) pri dejanski interakciji s Pokemoni, ki omogoča, da s pomočjo kamere in žiroskopa na svojem telefonu majhno pošast vidimo, kot bi bila del resničnega sveta.

Za konec pa bi morda navedel še citat Hanke-ja v zvezi s kartiranjem pri ustvarjanju Pokemon GO: ” Veliko izmed nas [sodelavcev] je delalo leta in leta pri Google Maps in Google Earth, zato vemo, kako pomembni so dobri prostorski podatki.” Glede na to, da lahko najdemo Pokemone, Pokestope in Gyme po celem svetu, od severnega do južnega pola, lahko rečemo da jim je kar dobro uspelo. Pokemon GO tako predstavlja zanimivo združitev osnovnih prostorskih podatkov, kot so ceste, objekti, vode z elementi ‘obogatene resničnosti’ – legendarnimi malimi pošastmi, ki igro naredijo tako zanimivo. Velike pohvale iz moje strani 😉

 

Viri: (http://www.androidcentral.com/getting-gps-signal-not-found-error-pokemon-go-heres-how-fix-it; http://www.theatlantic.com/technology/archive/2016/07/where-did-pokemon-go-get-its-map/490799/; http://mashable.com/2016/07/10/john-hanke-pokemon-go/#OoZZh4eLomqr; https://en.wikipedia.org/wiki/Ingress_(video_game))

 

Droni v geodeziji

V zadnjem obdobju drone vse pogosteje srečujemo v vsakdanjem življenju – vidimo jih na športnih dogodkih, zabavah, uporabljajo se za namene reševanja in celo prenašanja paketov. Seveda se je v stilu uporabe napredne tehnologije posluževanju tovrstnih tehničnih pripomočkov priključila tudi geodezija. Drone v geodeziji poznamo sicer že nekaj let, vendar se je v zadnjem času močno razširila njihova komercialna uporaba.

Predstavitev dronov

Droni ali brezpilotni letalniki (ang. UAV – unmanned aerial vehicle) so lahki letalniki brez posadke, ki letijo z avtopilotom ali pa jih operater upravlja preko daljinskega upravljnika s tal in računalnikom kot kontrolno postajo. Droni so v zadnjih letih postali dovolj zmogljivi in cenovno ugodni, da so se začeli uporabljati kot nosilna platforma za različne senzorje v geodeziji. Zgradba sistema dronov je v osnovi enaka, ki jo sestavljajo kontrolna postaja,  brezpilotni letalnik in pa brezžična povezava med njima. Obstaja več različic brezpilotnih letalnikov – od trikopterjev, kvadrokopterjev, multikopterjev do dvokrilnih dronov podobnim letalom.

Povezava z geodezijo

Vse hitrejše spreminjaje prostora oz. čimbolj sprotno in natančno zajemanje sprememb v njem predstavlja velik izziv v geodeziji. Tako se droni v geodeziji uporabljajo kot eden izmed načinov pridobitve velike količine prostorskih podatkov v relativno kratkem času. Brezpilotni letalniki sami po sebi geodetski stroki nebi bili v veliko pomoč, zato se le ti opremijo z različnimi senzorji za zajemanje podatkov o terenu. To so lahko različni digitalni fotoaparati (kompaktni ali zrcalno-refleksni (SLR)), poznamo tudi droni ki nosijo  sistem laserskega skenerja (lidarja). Ker pa je večina dronov omejena z nosilnostjo tovora, ki so ga sposbni dvigniti, se pogosto uporabljajo kar se da lahki senzorji. Najpogosteje se uporabljajo droni za pridobitev fotografij iz zraka, ki služijo za izdelavo različne namene: izdelava modelov terena (DMR, DMV), izdelava ortofota, določitev plastnic, izdelava oblaka točk (lidar) – izračun volumnov ipd.

Nekateri primeri

Med ustaljenimi proizvajalci geodetskih instrumentov svoj delež na trgu dronov iščeta tudi Leica in Trimble. Poleg teh dveh geodetskih velikanov obstaja še več drugih podjetij, ki se ukvarjajo z izdelavo dronov (DJI, SenseFly, Cyberhawk, Doheny Drones). Zanimiv primer pa predstavlja tudi ekipa DŠGS FlyEye, ki je navdušila z izgradnjo lastnega drona z omejenim budgetom (povezava do strani: http://www.dsgsflyeye.com/). Predstavljam nekaj najbolj zanimivih predstavnikov brezpilotnih letalnikov v geodeziji.

Trimble UX5

Trimble UX5 in UX5 HP predstavljata zanimivi različici brezpilotnih letalnikov, ki se od večine razlikujeta pa svoji obliki, saj spominjata na nekakšna vohunska vojaška letala. Oba modela imata 2 krili s skupnim razponom 100cm, pogonski sklop pa predstavlja 700W elektromotorček, ki poganja propeler na repu letalnika. Kamera je (odvisno od izvedbe) ločljivosti 24MP ali 36MP z 15,25 ali 35mm lečo – vse skupaj naj bi bilo dovolj za ločljivost slike 2cm. Vzdržljivost oz. čas leta takšnega drona znaša po navedbah proizvajalca 50 minut, doseg pa je kar 60km.

Trimble UX5

Trimble ZX5

Ta model predstavlja multikopter s šestimi horizontalno nameščenimi propelerji, čigar okvir je sestavljen iz ogljikovih vlaken. Na njem je 16MP kamera z 14mm lečo, dron pa je sposoben doseganja višine kar 3km. Maksimalna oddaljenost od operaterja do drona znaša v ugodnih atmosferskih pogojih 2km, prednosti pred večjim bratom (UX5) pa predstavljata še vertikalno vzletanje in pristajanje. Nekaj slabši v primerjavi z UX5 je le čas leta, ki je omejen na 20 minut.

Trimble Zx5

Leica Aibot X6 Hexacopter

Predstavlja novo generacijo dronov razvitih posebaj z namenom zagotavljanja kvalitetnih geodetskih opazovanj. heksakopter ima premer 1.05m, dviguje ga (kot že ime pove) 6 propelerjev. Ob idealnih pogojih tako kot Trimblov konkurent tudi X6 doseže višino 3000m, čas leta pa je omejen na 20 min. Kot posebnost velja omeniti možnost uporabe različnih vrst senzorjev na tem dronu, in sicer omogoča uporabo hiper in multispektralnih senzorjev, digitalne kamere ali toplotne kamere (ang. thermal imagery).

Leica Aibot X6 Hexacopter

Leica Dragon 50

Predstavlja občutno večji brezpilotni letalnik od prej omenjenih, in potrebuje veččlansko ekipo za njegovo upravljanje. 35 kilogramov težek dron poganjata 2 propelerja dolžine 2,8m in pa turbinski motor, ki Dragon-a pospeši tudi do hitrosti 100km/h. Glavni senzor na tem letalniku predstavlja Leica RCD30 kamera srednjega formata. Sama velikost in pogon pa omogočata dolgo vzdržljivost, stabilne vzorce letenja in zanesljivost, kar je pomembno pri kompleksnih nalogah kartiranja v nedostopnih pogojih. Kot zanimivost še velja omeniti da je povsem možna personalizacija senzorjev (torej na to platformo vgradijo karkoli, ki tehta manj od 50kg), podjetje SwissDrones, ki z Leica ta model izdeluje, pa po potrebi priskrbi tudi inštruktorja oz. pilota za upravljanje tega drona.

Leica Dragon 50

Kako pa delo geodeta z dronom dejansko izgleda, pa si lahko pogledate v naslednjem videu.

Viri:(Izdelava brezbilotnega letalnika za zajem prostorskih podatkov – projekt Društva študentov geodezije Slovenije FlyEye; N.Dougan, A.Šašo, U.Tržan, B.Vidmar; http://uas.trimble.com/ux5; http://uas.trimble.com/zx5; http://uas.leica-geosystems.us/dragon-50.html; http://uas.leica-geosystems.us/aibot-x6.html)

Projekt Burj Khalifa (2.del)

Z izgradnjo, in v letu 2010 otvoritvijo najvišje stavbe na svetu – Burj Khalifa, Dubaj – pa ta velikopotezni projekt še ni bil dokončan. Kot obljubljeno, v drugem delu članka o Burj Khalifi predstavljam sistem monitoringa stavbe, imenovan tudi SHM (Structure Health Monitoring), ki skrbi in zagotavlja nemoteno delovanje stavbe skozi njeno celotno življensko dobo.

Kot predstavljeno v prvem delu članka o Burj Khalifi, ta projekt predstavlja (do sedaj) najvišji zgrajen objekt, ki z 162 nadstropji in 3 kletmi v višino meri 828m. Upoštevanje aerodinamičnosti objekta in obnašanje le-tega v različnih pogojih so bili vodila vse od začetka načrtovanja in izgradnje stavbe. Razumevanje vseh sil in obremenitev, ki od temeljev navzgor vplivajo na zgradbo, je ključnega pomena pri zagotavljanju varnosti in uporabnosti zgradbe same. Tako je potrebno za njeno nemoteno delovanje zagotoviti ustrezen nadzor oz. monitoring, ki je v tem projektu izveden v dveh delih, in sicer kot skupek geodetskih meritev in t.i. sistem spremljanja zdravja strukture (ang. SHM – Structure Health Monitoring). Pri monitoringu Burj Khalife je inženirje natančneje zanimalo naslednjih 8 področij:

1.) nadzor sistema temeljev zgradbe;

2.) nadzor posedanja temeljev zgradbe;

3.) nadzor vertikalnih napetosti v zgradbi;

4.) nadzor vertikalnega posedanja sten in stebrov zgradbe zaradi elastičnosti, krčenja in lezenja materialov;

5.) nadzor bočnega izpodriva zgradbe zaradi lastnih gravitacijskih obremenitev (nesimetrična postavitev);

6.) nadzor bočnih premikov stavbe pri dinamičnih obremenitvah in med procesom izgradnje;

7.) nadzor izpodriva, pospeškov in dinamičnih lastnosti zgradbe pri stalnih obremenitvah v realnem času in

8.) nadzor dinamičnih lastnosti in obnašanja vrha stavbe.

Skupaj s sistemom SHM je geodetski monitoring stavbe brez dvoma predstavljal eno izmed najtežjih geodetskih nalog v zgodovini. Tak način monitoringa stavb, kot je bil (in je še) uporabljen pri projektu Burj Khalifa, je postal standardna praksa pri nadzoru oz. kontroliranju visokih objektov.

Geodetski monitoring

Pri tako zahtevnem in velikopoteznem projektu, kot je bila izgradnja Burj Khalife, so imele natančne in zanesljive geodetske meritve pomembno vlogo. Za razumevanje in opravljanje meritev je potrebno poznati vse sile in vplive, ki na objekt delujejo (podrobneje v prvem članku). Kot omenjeno, je geodetska izmera izhajala iz geodetske mreže, ki je bila vzpostavljena zunaj vplivnega območja gradnje. To mrežo so sestavljale ustrezno stabilizirane točke s poznanimi koordinatami in pa referenčna GNSS postaja, ki je neprekinjeno spremljala signale satelitov. Geodetski monitoring je potekal tako med samo gradnjo, kot tudi po dokončani gradnji. Monitoring stavbe se je izvajal periodično, vseboval pa je meritve posedanja temeljev, meritve krčenja stebrov in sten zaradi vplivov elastičnosti in drsenja, meritve bočnih premikov na vsakem dokončanem nivoju in meritve vrha stavbe med gradnjo in po njej. Izmerjene količine – koordinate (x,y,z) so primerjali z modeliranimi, ki so jih pridobili na podlagi ustrezno izdelanih kompleksnih modelov stavbe. Ti so upoštevali njeno velikost, težo, materiale, razporeditve sil, način temeljenja, vrsto tal, koeficiente raztezka in še nekatere količine.

Monitoring posedanja temeljev skozi čas

Zaradi z vsakim nadstropjem spreminjajoče se oblike zgradbe so inženirji predvideli bočne premike že med samo gradnjo, kar so kontrolirali z geodetskimi meritvami, kjer so uporabljali total station z navezavo na različne izhodiščne točke (odvisno od višine). Večina meritev je bila opravljena v zgodnjih jutranjih urah, saj so se s tem izognili velikemu vplivu, ki ga ima v Dubaju sonce na samo zgradbo (refrakcija, toplotno raztezanje). Za dodatne meritve deformacij so uporabljali tudi merilne enote, ki delujejo na osnovi spreminjanja električnega upora – na celotni stavbi jih je bilo nameščenih 197, ki so bili pozicionirani na kovinsko nosilno konstrukcijo in beton. Poleg elektronskih merilcev deformacij pa je na stavbo nameščenih še 24 ekstenziometrov, ki delujejo na principu meritev napetosti na žici, ki je v njih.

ekstenizometer, uporabljen pri monitoringu

Structure Health Monitoring

Sistem spremljanja zdravja zgradbe je v osnovi nastal iz začasnega sistema monitoringa stavbe, ki je bil načrtovan s pomočjo univerze Notre Dame. Sistem skrbi za nadzorovanje pospeškov med in po gradnji z uporabo vgrajenih merilcev pospeška (ang.accelerometers), z GNSS sistemom (rover v 138. nadstropju + dislocirana permanentna postaja) zagotavlja podatke o izpodrivu v realnem času, z meritvami na meteorološki postaji, ki je prav tako stacionirana v 138 nadstropju, pa zagotavlja podatke o temperaturi, tlaku, vetru, padavinah in ostalih parametrih neposredne okolice. Poleg omenjenih instrumentov in naprav, ki so sestavljale začasni sistem spremljanja zdravja zgradbe, pa so v zaključni fazi SHM dodali še 23 sonimometrov za natančno določevanje meteoroloških dejavnikov. Vsi dejavniki so prenešeni v računalniški del sistema, ki jih analizira in tako zagotavlja, da vsa odstopanja merjenih količin ne presegajo dovoljenih okvirjev. Spodnja slika prikazuje še shemo sistema SHM.

shema delovanja SHM

Viri: (https://www.google.si/search?q=%28CEA+weldable+series+W250A&ie=utf-8&oe=utf-8&gws_rd=cr&ei=e2UvV52DNaW56ATO4KXoCQ, https://upverter.com/upn/ca1c14cc7bb39527/, Validating the Structural Behavior and Response of Burj Khalifa:  Synopsis of the Full Scale Structural Health Monitoring Programs; Ahmad Abdelrazaq)

Projekt Burj Khalifa (1.del)

V modernem življenju se vsakodnevno srečujemo z ekstremi – najhitrejši, najboljši, najdražji, najvišji in tako naprej. Ob pridevniku ‘najvišji’ sem se nemudoma spomnil na najvišjo stavbo na svetu, in bum – dobil sem novo idejo za članek. Zdelo se mi je zanimivo, da bi vam predstavil, kako je (predvsem iz geodetskega vidika) potekal projekt gradnje najvišje stavbe na svetu, kaj vse je bilo potrebno izmeriti in določiti pri takšnem podvigu, ter prikazati, kaj vse v zvezi z geodezijo se še vedno nahaja na tej izjemni stavbi.

Predstavitev in gradnja

Burj Khalifa, znan tudi pod imenom Burj Dubai, trenutno predstavlja najvišjo zgradbo na svetu. Nahaja se na naslovu Sheikh Mohammed bin Rashid Boulevard 1 v Dubaju (Združeni Arabski Emirati), in je bila leta 2010 odprta kot del velikanskega projekta imenovanega Downtown Dubai, ki je že tako ekstravagantno arabsko prestolnico ponesel med ene najzanimivejših mest na svetu. Gradnja se je začela januarja leta 2004 po načrtih arhitektov iz Skidmore, Owings in Merrill iz Chicaga. Zunanjost stavbe je bila dokončana oktobra leta 2009, Burj Khalifa pa je bil uradno odprt 4.januarja 2010, 2 dni manj kot 6 let po začetku gradnje.

Osnovno strukturo stavbe predstavlja ojačan beton, pri čemer je bila posebno za ta projekt razvita nova visokotlačna tlačila betona imenovana BSA 14000 SHP-D. V sami konstrukciji je kar 330.000 m³ betona, uporabljeno je bilo 55.000 ton jeklenih ojačitev, sama gradnja pa je zahtevala neverjetnih 22 milijonov delovnih ur. Od 156-ega nadstropja na višini 606m do vrha (828m), pa je postavljena lažja jeklena konstrukcija, ki so jo dvigovali s tremi žerjavi, ki so bili sposobni dvigniti 25ton. Posebno pozornost so namenili tudi temeljem, saj je v ne preveč dobrih razmerah (peščena tla) gradnja tako visokega objekta vse prej kot enostavna. Za temelje je bilo porabljeno več kot 45.000 m³ betona, ki skupaj z jeklenimi ojačitvami v 192 ‘stebrih’ predstavlja temelj te kar 450.000 tonske zgradbe. Vsak izmed naštetih temeljnih stebrov ima premer 1,5m, v dolžino pa meri 43m.

Geodetske meritve

Osnovo za geodetska dela in meritve je predstavljalo 6 permanentnih izhodiščnih točk, ki so bile stabilizirane v betonskem ohišju, znotraj katerega je bil v zemljo fiksiran 15m dolg I-profil. Na vrhu te platforme se je nahajala lito-železna plošča, na katero so postavili instrument in opravljali meritve. Teh 6 točk , ki so bile oddaljene okoli 100-150m od gradbišča je služilo kot izhodišče tako za začetne zakoličbe in meritve, kot tudi osnova za monitoring. Geodetska dela so se zaradi same višine in zahtevnosti gradnje objekta delila na tiste, opravljene na nižjih nadstropjih, ter na tiste, opravljene na višjih nadstropjih (višje od 20. nadstropja).

Za geodetske meritve na nižjih nivojih je bil razvit poseben sistem meritev, saj je bilo število kontrolnih točk na opažu tako veliko, da so meritve opravili le v enkrat (brez ponovitev). Tarče so bile postavljene na betonsko konstrukcijo sveže vlitega betona. Geodetski instrument – total station – je bil postavljen na podlagi preseka, določenega iz zunanjih izhodiščnih točk. Z meritvami iz stojišča so določili koordinate vsake točke (tarče), ter nato dvignili opaž za eno nadstropje (nivo), ter ponovili postopek. Do 20. nadstropja so lahko z uporabo zunanjih (izhodiščnih) točk zagotovili dobre rezultate. Opravila so se tudi opazovanja oz. meritve vertikalnosti, ki so potrdile, da se zgradba ne premika in da se temelji ne posedajo neenakomerno, kar bi lahko povzročilo nagib zgradbe.

Z vedno večjo višino so se inženirji spopadli tudi z različnimi silami oz. obremenitvami, ki na ta objekt delujejo iz različnih smeri in z različno močjo. Višje od 20. nadstropja je postala težava tudi viziranje na izhodiščne točke na tleh – to ni bilo več mogoče zaradi različnih ovir na poti vizure. Prav tako se niso mogli zanesti na meritve na sosednje visoke objekte, saj je bil najbližji oddaljen več kot 500m od gradbišča, dodatne težave pa sta povzročali še slaba vidljivost in neustrezna geometrija razporeditve točk. Tako so si v višjih delih stavbe pomagali s sistemom meritev jedra zgradbe (core wall survey system), ki je bil v osnovi sestavljen iz 2 komponent: to sta določitev položaja instrumenta in določitev poravnave zgradbe. Združeni podatki teh dveh meritev so predstavljali t.i. sistem meritev jedra zgradbe. Za določitev položaja instrumenta (total stationa) so uporabili vsaj 3 GPS sprejemnike, ki so bile stabilizirani na vrhu drogov, ki so segali nad zgornji rob opaža. Pod njimi so bile pod nagibom nameščene prizme, na katere so v več ponovitvah s stojišča total stationa merili smeri in dolžine, ter tako določili njegov položaj. Same GPS meritve so potekale po statični metode, kjer je čas sprejemanja signala znašal najmanj 1 uro za vsak sprejemnik. Po opazovanjih je bila izvedena računalniška obdelava podatkov, izravnava MNK za določitev stojišča total stationa in pa transformacija iz WGS84 v lokalni sistem, kjer so potekale klasične geodetske meritve. Za določitev vertikalnosti oz. odmika vertikalne osi zgradbe pa se uporabili natančne inklinometre, ki so ta odmik določili na 0,2” natančno. Sama zgradba ima vgrajenih 8 inklinometrov, od tega uporabljajo podatke štirih naprav, ki so razporejene približni na vsakih 20 nadstropij. Odstopanja inklinometrov so bila nato upoštevana pri določitvi vertikalnosti instrumenta, skupaj z GPS meritvami in pa uporabo total stationa pa so sestavljala omenjeni sistem meritev jedra zgradbe. Ta sistem je omogočal določitev položaja oz. zakoličbe novih točk z natančnostjo boljšo od 15mm.

V sklopu GPS meritev so se opazovanja navezovala na permanentno referenčno postajo, ki je bila vzpostavljena zunaj delovišča oz. vplivnega območja gradnje stavbe. Referenčna postaja je delovala neprekinjeno in je zagotavljala datumsko izhodišče za transformacijo v lokalni koordinatni sistem. Referenčna postaja je bila pomembna tudi iz vidika določitve položaja elektronskega tahimetra, s katerim so opravljali opazovanja v lokalnem koordinatnem sistemu na sami zgradbi. Ob tem je pomembno poznati različne zunanje vplive, ki so prisotni pri tako velikih zgradbah. V grobem so ti razdeljeni v 3 sklope in sicer na premike z dolgo periodo (npr. posedanje), dnevne premike (sončni vplivi) in pa dinamične premike (veter, obremenitve žerjavov ipd.). Vse vrste premikov vplivajo na nagnjenost stavbe oz. njeno odstopanje od projektirane vertikalne osi, naravna resonanca samega objekta pa povzroča tudi rahlo oscilacijo okoli svojega položaja. Tako so morali ob geodetskih meritvah upoštevati tudi vse te vplive, da so zagotovili skladnost dejanskega in projektiranega položaja stavbe.

Uporabljen instrumentarij

Kot si verjetno lahko predstavljate, je bilo pri tako velikem in zahtevnem projektu uporabljeno dosti drage in izjemno natančne geodetske opreme. Naštel bom le najpomembnejše instrumente in opremo, ki je bila uporabljena:

Leica GRX1200 Pro GPS sprejemnik, antena AT504 chokering, Leica Total Station (TPS1200 ali TS30)* in Leica NIVEL200 (vsi prikazani na spodnji sliki).

Leica GPS GRX1200

Leica AT504 chokering antena

Leica TS30

Leica TPS1200

Leica nivel200

*Zaradi datuma izvedbe projekta (2004-2010) predvidevam, da so uporabljali v tistem času najnatančnejše in najzmoglivejše elektronske tahimetre.

Nekaj več o monitoringu objekta in še čem pa bom predvidoma opisal v drugem delu tega članka. Za konec tega pa prilagam še video Vincea Reffeta in Freda Fugena, deh base-jumperjev, ki sta skočila iz vrha te izjemne stavbe.

Viri:(Example: High Rise Buildings, TU Graz; ADvanced Engineering Geodesy, Lienhart, Lackner; Advanced Surveying Control Services for Building the Vertical Cities,
Joël VAN CRANENBROECK, Switzerland; Core Wall Control System – The State of the Art, Joël VAN CRANENBROECK, United states Patent Application Publication – Surveying Procedure for a High-Rise Building,  Joël VAN CRANENBROECK, Burj Khalifa – Wikipedia, Pictures from Leica Geosystems)

Veliki trije – primerjava total stationov

V tem članku predstavljam in primerjam trenutno 3 najboljše total station-e na tržišču proizvajalcev Leica, Trimble in Topcon. Mnogi proizvajalci geodetske opreme so v zadnjih letih predstavili elektronske tahimetre z izjemnimi specifikacijami, ki so s pomočjo sodobne strojne in programske opreme uporabni praktično za vsako nalogo, ki si jo lahko geodet zamisli.

Total station

Avtomatski elektronski tahimetri (kot bi lahko smiselno prevedli total station) predstavljajo najvišjo stopnjo razvoja klasičnih geodetskih instrumentov. Kot omenjeno, vgrajena sodobna tehnologija omogoča hitrejše in lažje delo na terenu, kjer operater velikokrat ne potrebuje nikogar drugega za izvedbo izmere (poznano pod izrazom one man station). Razvoj takih instrumentov omogoča odpravo vseh vrst instrumentalnih pogreškov, pogreškov operaterja in nudi avtomatizacijo nekaterih merskih postopkov. Mnogim izmed nas so poznani tudi različni samodejni sistemi pri total station-ih, kot so AVT (avtomatsko viziranje tarče), ATR (avtomatsko prepoznavanje tarče), poznamo tudi avtomatsko iskanje in pa slednje tarče. Omeniti velja tudi, da si vsi total station-i v nadaljevanju motorizirani, kar omogoča hitrejše meritve in v kombinaciji z prej omenjenimi sistemi (AVT ipd.) krajši čas, ki ga geodet potrebuje, da opravi določeno nalogo – npr. girusne meritve.

Total Stations – Leica Geosystems

Primerjava instrumentov

Za vsakega geodeta so ob primerjavi instrumentov pomembne tehnične specifikacije, ki sem jih za vas zbral v spodnji preglednici. Za instrumente Leica Nova TM50, Trimble S9 Total Station in Topcon DS-200i sem primerjal podatke o kotni natančnosti, motoriziranosti in hitrosti obračanja, dolžinske meritve, podatke o kameri in skeniranju ter avtomatske sisteme.

Leica Nova TM 50

Ta instrument predstavlja dodatno izboljšano različico Leicinega modela MS50, pri katerem so izboljšave usmerjene predvsem v različne rešitve, ki pripomorejo k lažjemu monitoringu objektov, terena, jezov, mostov in še česa drugega. Izmed vseh obravnavanih instrumentov ima najboljša podatka o kotni natančnosti in natančnosti meritve dolžin, nekoliko zaostaja le na področju dosega meritev, kjer dosega najmanjše vrednosti izmed obravnavane konkurence. Omeniti velja še velik temperaturni razpon delovanja (-20°C do +50°C) in pa IP65 zaščito pred zunanjimi vplivi (veter, prah, dež).

Leica Nova TM50

Trimble S9 Total Station

Je glede na specifikacije najboljši Trimblov instrument iz družine S – Total Station. Podobno kot Lecia TM50 je tudi S9 Total Station namenjen najzahtevnejšim opravilom v geodeziji, s svojo visoko natančnostjo kotnih in dolžinskih meritev (ne sicer tako dobrih kot pri Leici) pa je primeren instrument tudi za monitoring. Zanimivo je izpostaviti še patentiran motoriziran pogon tahimetra imenovan MagDrive, ki s pomočjo magnetnega polja omogoča hitrost rotiranja tahimetra 115°/s, in pa Trimble FineLock program, ki zagotavlja podporo pri nalogah visoke natančnosti na merjeni kratki razdalji (npr. poravnava tirnic).

Trimble S9 Total Station

Topcon DS-200i

Topconov odgovor na konkurenčne avtomatizirane elektronske tahimetre je model DS-200i, ki je uporaben predvsem za natančne meritve na gradbiščih. Po podatkih o kotni in dolžinski natančnosti nekoliko zaostaja za Leicinim in Trimblovim instrumentom, vendar zanimivo oba prekaša v dometu meritev, ki po proizvajalčevih podatkih znaša kar 6km (na ustrezen reflektor, seveda). Presenetljivo ta total station ne nudi možnosti laserskega skeniranja, kar počasi postaja standardna zahteva oz. oprema najboljših geodetskih instrumentov. Zanimivo pa pri Topcon-u dajejo velik poudarek na varnost, saj so v ta model vgradili TSshiled (prvi na svetu), ki preko telematičnega modula omogoča komunikacijo z instrumentom kjerkorli na svetu – torej tudi njegovo onesposobitev ob morebitni kraji. 

Topcon DS-200i Series Imaging Robotic Total Station

Za konec pa morda še beseda ali dve o ceni takšnih instrumentov – tako kot si verjetno predstavljate, so cene (sploh pri Leici) glede na vso vsebovano tehnologijo in tehnične specifikacije primerljive s kakšnim dobrim Audijem ali Mercedesom, ki bi ga vsi imeli. Leicin TM50 stane preračunanih 40.800€, Trimble S9 stane 29.890€, Topcon pa ‘le’ 19.900€ (v cene ni vračunan davek). Če pa bo kdo izmed nas (vas) nekega dne kupoval svoj total station, se zna zgoditi, da bo številka z € znakom na koncu pomembnejša od tistih majhnih razlik v kotni in dolžinski natančnosti meritev teh naprav. Mogoče pa kitajski proizvajalci, ki neusmiljeno dihajo za ovratnik uveljavljenim znamkam, ponujajo še več (vsaj obljubljenih) dobrih lastnosti za še manj €.

Viri:(A.Vidic, 2010. Sodobni elektronski tahimetri in geodetska terestrična izmera; Leica Nova TM50 Brochure; Topcon DS-200i Series Imaging Robotic Total Station; Trimble S-Series Total Station Brochure)