Обследование пещер - Cave survey

Обследование пещеры

А исследование пещеры это карта всего или части пещера система, которая может быть произведена в соответствии с различными стандартами точности в зависимости от условий пещеры и оборудования, доступного под землей. Обследование пещер и картография, то есть создание точной, подробной карты, является одним из наиболее распространенных технических действий, предпринимаемых в пещере, и является фундаментальной частью спелеология. Обследования можно использовать для сравнения пещер друг с другом по длине, глубине и объему, они могут выявить ключи к разгадке. спелеогенез, обеспечивают пространственную привязку к другим областям научных исследований и помогают посетителям находить маршруты.

Традиционно исследования пещер производятся в двухмерной форме из-за ограничений печати, но, учитывая трехмерную среду внутри пещеры, современные методы с использованием системы автоматизированного проектирования все чаще используются, чтобы дать более реалистичное представление о пещерной системе.

История

Нарисованная от руки карта пещеры с извилистым подземным ходом реки, а также рельефом поверхности, включая большие шахты.
Обзор 1908 г. Пещеры с мраморной аркой Йоркширским клубом бродяг

Первый известный план пещеры датируется 1546 годом и представлял собой искусственную пещеру в туфе под названием Stufe di Nerone (Печь Нерона) в Поццуоли возле Неаполь в Италии. Первой естественной пещерой, нанесенной на карту, была Baumannshöhle в Германия, из которых сохранился эскиз 1656 года.[1]

Другой ранний обзор датируется до 1680 г. и был проведен Джон Обри длинной дыры в Ущелье Чеддер. Он состоит из возвышенного участка пещеры. В последующие годы было проведено множество других исследований пещер, хотя большинство из них являются эскизами и имеют ограниченную точность. Первая пещера, которая, вероятно, была точно исследована с помощью инструментов, - это пещера. Grotte de Miremont в Франция. Он был обследован инженером-строителем в 1765 году и включает многочисленные поперечные сечения. Эдуард-Альфред Мартель был первым, кто описал методы съемки. Его обследования проводились с помощником, идущим по коридору, пока они почти не скрывались из виду. Затем Мартел проводил по компасу к свету помощника и измерял расстояние, подходя к помощнику. Это можно сравнить с современным опросом BCRA Grade 2.

Первая пещера, центральная линия которой рассчитана компьютером, - это пещера реки Фергюс в Ирландия, который был составлен членами UBSS в 1964 году. Программное обеспечение было запрограммировано на большом университетском мэйнфрейме, и был создан бумажный график.[2]

Методология

Есть много вариантов геодезия методологии, но большинство из них основаны на аналогичном наборе шагов, которые принципиально не изменились за 250 лет, хотя инструменты (компас и лента) стали меньше и точнее. С конца 1990-х годов цифровые инструменты, такие как дистометры начали изменять этот процесс, что привело к появлению полностью безбумажной съемки примерно в 2007 году. Основным изменением стандартной методологии, описанной ниже, были такие устройства, как геодезисты LIDAR и SONAR, которые создают облако точек, а не серию связанных станций. Видеосъемка также существует в виде прототипа.

Геодезия

Исследовательская группа начинает с фиксированной точки (например, у входа в пещеру) и измеряет серию последовательных Поле зрения измерения между станциями. Станции - это временные стационарные места, выбранные в основном из-за легкости доступа и хорошей видимости вдоль прохода пещеры. В некоторых случаях геодезические станции могут быть помечены постоянно, чтобы создать фиксированную контрольную точку, к которой можно вернуться позже.

Измерения между станциями включают:

Совпадая с записью прямолинейных данных, регистрируются детали размеров прохода, формы, постепенных или внезапных изменений высоты, наличия или отсутствия неподвижной или текущей воды, расположения примечательных особенностей и материала на полу, часто с помощью схематическая карта.

Рисование линейного графика

Позже картограф анализирует записанные данные, преобразовывая их в двумерные измерения посредством геометрический расчеты. Из них он / она создает линейный сюжет; геометрическое изображение пути через пещеру в масштабе.

Завершение

Затем картограф рисует детали вокруг линейного графика, используя дополнительные данные о размерах прохода, расходе воды и перекрытии / стене. топография записано в то время, чтобы произвести завершенное исследование пещеры. Обследования пещер, нарисованные на бумаге, часто представлены в двухмерном виде. строить планы и / или профиль просмотров, в то время как компьютерные опросы могут моделировать три измерения. Хотя в первую очередь предназначены для функциональности, некоторые спелеологи считают исследования пещер формой искусства.[ВОЗ? ]

Гидролевеллинг

Гидролевеллинг - это альтернатива измерению глубины с помощью клинометра и ленты, которая давно используется в России.[3] При строительстве зданий метод регулярно используется для нахождения двух точек одинаковой высоты, как при выравнивании пола. В простейшем случае используется трубка с открытыми обоими концами, прикрепленная к деревянной полосе, и трубка заполняется водой, и на каждом конце отмечается глубина. В России измерение глубины пещер с помощью гидроуровня началось в 1970-х годах и считалось наиболее точным методом измерения глубины, несмотря на трудности с использованием громоздкого оборудования того времени. Интерес к методу возродился после открытия Воронья на Массив Арабика в Кавказ - в настоящее время самая глубокая пещера в мире.

Гидроуровневое устройство, использованное в недавних экспедициях в Воронжу, представляет собой 50-метровую прозрачную трубу, наполненную водой, которая наматывается или помещается на катушку. Резиновая перчатка, которая действует как резервуар, помещается на одном конце трубки, а металлический ящик с прозрачным окном - на другом. Цифровые наручные часы дайвера с функцией измерителя глубины погружены в коробку. Если резиновая перчатка размещена на одной станции, а ящик с глубиномером - на более низкой, то гидростатическое давление между двумя точками зависит только от разницы высот и плотности воды, т. Е. От пути следования трубка не влияет на давление в коробке. Считывание глубиномера дает очевидное изменение глубины между верхней и нижней станцией. Изменения глубины «очевидны», потому что глубиномеры откалиброваны для морской воды, а гидроуровень заполнен пресной водой. Следовательно, необходимо определить коэффициент для преобразования видимых изменений глубины в истинные изменения глубины. Суммирование показаний для последовательных пар станций дает общую глубину пещеры.[3]

Точность

Точность, или оценкаИсследование пещеры зависит от методики измерения. Общая система выставления оценок в опросах создается Британская ассоциация пещерных исследований в 1960-е годы, где используется шкала из шести баллов.[4]

Система оценок BCRA

Градации BCRA для исследования линии пещеры

1-й класс
Эскиз низкой точности, на котором не производились измерения
Степень 2 (использовать только при необходимости, см. Примечание 7)
При необходимости может использоваться для описания эскиза, который по точности находится между 1 и 3 уровнями.
3-й степени
Грубая магнитная съемка. Горизонтальные и вертикальные углы измеряются до ± 2,5 °; расстояния измеряются до ± 50 см; Погрешность положения станции менее 50 см.
Степень 4 (использовать только при необходимости, см. Примечание 7)
При необходимости может использоваться для описания опроса, не отвечающего всем требованиям 5-го класса, но более точного, чем опрос для 3-го класса.
5 класс
Магнитная съемка. Горизонтальные и вертикальные углы измеряются с точностью до ± 1 °; расстояния должны наблюдаться и регистрироваться с точностью до ближайшего сантиметра, а положение станций должно быть меньше 10 см.
Уровень 6
Магнитная съемка более точна, чем оценка 5 (см. Примечание 5).
X класс
Съемка, основанная главным образом на использовании теодолита или тахеометра вместо компаса (см. Примечания 6 и 10 ниже).
Примечания
  1. Приведенная выше таблица представляет собой сводку без некоторых технических деталей и определений; Приведенные выше определения оценок за обследование следует рассматривать вместе с этими примечаниями.
  2. Во всех случаях необходимо следовать духу определения, а не только букве.
  3. Для достижения 3-й степени необходимо использовать клинометр в проходах с заметным уклоном.
  4. Чтобы получить оценку 5, важно, чтобы инструменты были правильно откалиброваны, и все измерения должны проводиться из точки в пределах сферы диаметром 10 см с центром на станции съемки.
  5. Съемка 6-го уровня требует, чтобы компас использовался на пределе возможной точности, то есть с точностью до ± 0,5 °; Показания клинометра должны быть с одинаковой точностью. Погрешность определения местоположения станции должна быть менее ± 2,5 см, что потребует использования штатива на всех станциях или других фиксированных маркеров станций («крюков на крыше»).
  6. Обследование Уровня X должно включать в заметки на чертежах описание используемых инструментов и методов, а также оценку вероятной точности опроса по сравнению с опросами Уровня 3, 5 или 6.
  7. Уровни 2 и 4 предназначены для использования только в том случае, если на каком-то этапе обследования физические условия не позволили обследованию выполнить все требования для следующего более высокого класса, и повторное обследование нецелесообразно.
  8. Спелеологическим организациям и т. Д. Рекомендуется воспроизводить Таблицу 1 и Таблицу 2 в своих публикациях; разрешение BCRA на это не требуется, но таблицы без этих примечаний нельзя перепечатывать.
  9. Уровень X потенциально более точен, чем уровень 6. Никогда не следует забывать, что теодолит / тахеометр - это сложный прецизионный инструмент, требующий значительного обучения и регулярной практики, если при его использовании не будут допущены серьезные ошибки!
  10. При составлении координаты обследования должны быть рассчитаны, а не нарисованы вручную с помощью шкалы и транспортира, чтобы получить оценку 5.

Оценки BCRA для записи деталей прохода в пещере

Класс А
Все детали прохождения основаны на памяти.
Класс B
Детали прохода оценены и записаны в пещере.
Класс C
Детальные замеры производятся только на геодезических станциях.
Класс D
Детальные измерения, сделанные на геодезических станциях и везде, где необходимо, чтобы показать значительные изменения в размерах прохода.
Примечания
  1. Точность детали должна быть аналогична точности линии.
  2. Обычно следует использовать только одну из следующих комбинаций оценок:
    • 1А
    • 3B или 3C
    • 5C или 5D
    • 6D
    • XA, XB, XC или XD

Обнаружение ошибок опроса

Оборудование, используемое для исследования пещеры, продолжает улучшаться. Было предложено использование компьютеров, инерционных систем и электронных дальномеров, но в настоящее время разработано несколько практических подземных приложений.

Несмотря на эти достижения, неисправные инструменты, неточные измерения, ошибки записи или другие факторы могут по-прежнему приводить к неточному обследованию, и эти ошибки часто трудно обнаружить. Некоторые исследователи пещер измеряют каждую станцию ​​дважды, записывая прицел на предыдущую станцию ​​в обратном направлении. Показания компаса заднего визирования, которые отличаются на 180 градусов, и показания клинометра, которые имеют то же значение, но с обратным направлением (например, положительным, а не отрицательным), указывают на то, что исходное измерение было точным.

Когда петля внутри пещеры исследуется до ее начальной точки, полученный линейный график также должен образовывать замкнутую петлю. Любой промежуток между первой и последней станциями называется ошибка замыкания петли. Если единственная ошибка не очевидна, можно предположить, что ошибка замыкания петли вызвана совокупными неточностями, а программное обеспечение для исследования пещер может «замкнуть петлю», усредняя возможные ошибки по всем станциям петли. Петли для проверки точности съемки также могут быть сделаны путем исследования поверхности между несколькими входами в одну и ту же пещеру.

Использование низкочастотного пещерного радио также может проверить точность съемки. Приемное устройство на поверхности может определить глубину и местоположение передатчика в проходе пещеры путем измерения геометрии его радиоволн. Съемка по поверхности от приемника до входа в пещеру образует искусственную петлю с подземной съемкой, ошибка замыкания которой затем может быть определена.

В прошлом спелеологи неохотно перерисовывали сложные карты пещер после обнаружения ошибок исследования. Сегодня компьютерная картография может автоматически перерисовывать карты пещер после исправления данных.

Программное обеспечение для съемки

На различных компьютерных платформах доступно большое количество геодезических пакетов, большинство из которых было разработано спелеологами с основами компьютерного программирования. Многие из пакетов особенно хорошо подходят для конкретных задач, и поэтому многие исследователи пещер не будут выбирать только один продукт вместо другого для всех картографических задач.

Популярной программой для проведения осевой съемки является Survex, который изначально был разработан членами Спелеоклуба Кембриджского университета для обработки данных съемок клубных экспедиций в Австрию. Он был опубликован в 1992 году. Затем данные осевой линии можно экспортировать в различных форматах, а детали пещеры нарисовать с помощью различных других программ, таких как AutoCAD, Adobe Illustrator и Inkscape. Другие программы, такие как «Туннель» и Терион иметь полную осевую линию и возможности редактирования карты. Примечательно, что Therion, закрывая петли съемки, искажает проходы, чтобы они соответствовали их длине, а это означает, что не нужно перерисовывать целые проходы. В отличие от возможностей 2D-деформирования Therion, ПещераГде искажает проходы в 3D. Сюда входят план деформации и эскизы профилей. CaveWhere также поддерживает замыкание петель (с помощью Survex) и предоставляет удобный интерфейс для ввода и визуализации данных исследования пещер.[5]

Наземные блоки LiDAR значительно повышаются в точности и дешевеют.[нужна цитата ] Несколько пещер были «просканированы» с использованием блоков LiDAR как «время полета», так и «сдвиг фазы». Различия заключаются в относительной точности, доступной каждому. Национальный парк «Пещеры Орегона» был просканирован с помощью LiDAR в августе 2011 года, как и место археологических раскопок «Пещеры Пейсли» в юго-восточной части штата Орегон.[нужна цитата ] Оба были сканированы с помощью сканера с фазовым сдвигом FARO Focus с точностью +/- 2 мм. Пещеры Орегона были просканированы от главного общественного входа до выхода 110 и были обследованы до точки начала. Данные пока недоступны для публичного использования, но их копии хранятся как в Службе парков США, так и в i-TEN Associates в Портленде, штат Орегон.[нужна цитата ]

Автоматизированные методы

В последние годы подземная технология географического позиционирования под названием HORTA использовался в добыча полезных ископаемых промышленность. В технологии используется гироскоп и акселерометр чтобы помочь в 3D -определение положения.[6]

Такие автоматизированные методы обеспечили более чем пятидесятикратное увеличение производительности подземных съемок, а также более точные и более мелкие карты.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ганн, Дж. (2003). Энциклопедия пещер и карстовых наук. Рутледж. ISBN  978-1-57958-399-6.
  2. ^ Nicholson, F.H .; Патмор, Д.Дж. (1965). "Пещера реки Фергус, графство Клэр, Ирландия". UBSS Труды. 10 (3): 285.
  3. ^ а б Дегтярев Александр; Снетков, Евгений; Гурджанов, Алексей (июль 2007 г.). «Получение точных глубин пещер с помощью гидроуровня» (PDF). Компасные точки. BCRA Группа исследования пещер (38): 8–12. ISSN  1361-8962. Получено 2009-05-02.
  4. ^ «Оценки обзора BCRA». Британская ассоциация пещерных исследований. Получено 2009-05-02.
  5. ^ Шухардт, Филипп (2013). «Быстрые 3D-карты пещер с использованием Cavewhere» (PDF). 16-й Международный конгресс спелеологов.
  6. ^ а б Инновации Инко[постоянная мертвая ссылка ], Канадский горный журнал, Апрель 2000 г., дата обращения 02.12.2010. «Устройство HORTA для определения географического положения под землей. HORTA-Honeywell Ore Retrieval and Tunneling Aid - это коробка, содержащая гироскоп и акселерометр, первоначально разработанная для вооруженных сил США, которая решает проблему позиционирования и определения местоположения под землей».

внешняя ссылка