Обследование пещеры

Обследование пещеры

Исследование пещеры — это карта всей системы пещер или ее части , которая может быть составлена ​​в соответствии с различными стандартами точности в зависимости от условий пещеры и имеющегося под землей оборудования. Исследование пещер и картография , т.е. создание точной, подробной карты, является одним из наиболее распространенных технических действий, выполняемых в пещере, и является фундаментальной частью спелеологии . Исследования могут использоваться для сравнения пещер друг с другом по длине, глубине и объему, могут дать ключ к разгадке спелеогенеза , обеспечить пространственную привязку для других областей научных исследований и помочь посетителям в поиске маршрута.

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

История

Исследование пещер Мраморная арка в 1908 году Йоркширским клубом бродяг.

Первый известный план пещеры датируется 1546 годом и представлял собой искусственную пещеру из туфа под названием Stufe di Nerone (Печь Нерона) в Поццуоли недалеко от Неаполя в Италии. Первой естественной пещерой, нанесенной на карту, была Бауманнсхёле в Германии , от которой сохранился эскиз 1656 года. ^[1]

Еще одно раннее исследование датируется до 1680 года и было сделано Джоном Обри из Лонг-Хоул в ущелье Чеддер . Он состоит из высотной части пещеры. В последующие годы было проведено множество других исследований пещер, хотя большинство из них являются набросками и имеют ограниченную точность. Первой пещерой, которая, вероятно, была точно обследована с помощью инструментов, является Grotte de Miremont во Франции . Он был обследован инженером-строителем в 1765 году и включает множество поперечных сечений. Эдуард-Альфред Мартельбыл первым человеком, который описал методы съемки. Его осмотры проводились с помощником, который шел по коридору до тех пор, пока они почти не исчезали из виду. Затем Мартель брал пеленг по компасу на свет помощника и измерял расстояние, приближаясь к помощнику. Это приравнивается к современному опросу BCRA Grade 2.

Первой пещерой, центральная линия которой была рассчитана с помощью компьютера, является пещера реки Фергус в Ирландии , которая была нанесена на карту членами UBSS в 1964 году. Программное обеспечение было запрограммировано на большом университетском мейнфрейме, и был создан бумажный график. ^[2]

Методология

Существует множество вариантов геодезической методологии, но большинство из них основаны на аналогичном наборе шагов, которые принципиально не изменились за 250 лет, хотя инструменты (компас и рулетка) стали меньше и точнее. С конца 1990-х годов цифровые инструменты, такие как дистометры , начали изменять процесс, что привело к появлению полностью безбумажной съемки примерно в 2007 году. Основным вариантом обычной методологии, подробно описанной ниже, были такие устройства, как геодезические устройства LIDAR и SONAR, которые производят точечные измерения. облако, а не ряд связанных станций. Видеосъемка также существует в виде прототипа.

Геодезия

Исследовательская группа начинает с фиксированной точки (например, входа в пещеру) и измеряет серию последовательных измерений прямой видимости между станциями. Станции — это временные стационарные места, выбранные главным образом из-за легкости доступа и хорошей видимости вдоль прохода в пещеру. В некоторых случаях геодезические станции могут иметь постоянную маркировку, чтобы создать фиксированную контрольную точку, к которой можно вернуться позднее.

Измерения, проведенные между станциями, включают:

• направление ( азимут или пеленг ) по компасу
• отклонение от горизонтали (падение), снятое клинометром
• расстояние, измеренное малорастяжимой рулеткой или лазерным дальномером
• опционально расстояние до окружающих стен – влево, вправо, вверх, вниз ( LRUD )

Одновременно с записью прямолинейных данных записываются детали размеров прохода, форма, постепенные или внезапные изменения высоты, наличие или отсутствие стоячей или проточной воды, расположение заметных особенностей и материал на полу, часто с помощью схематическая карта.

Рисование линейного сюжета

Позже картограф анализирует записанные данные, преобразуя их в двумерные измерения посредством геометрических вычислений. Из них он создает сюжетную линию ; масштабированное геометрическое представление пути через пещеру.

Завершение

Затем картограф рисует детали вокруг линейного участка, используя дополнительные данные о размерах прохода, потоке воды и топографии пола/стены , записанные в то время, чтобы произвести законченное исследование пещеры. Исследования пещер, проведенные на бумаге, часто представляются в двухмерном виде в плане и/или в виде профиля , в то время как компьютерные исследования могут имитировать трехмерное изображение. Хотя в первую очередь они предназначены для функциональности, некоторые спелеологи считают исследование пещер формой искусства. ^{[ кто? ]}

Гидронивелирование

Гидронивелирование — альтернатива измерению глубины клинометром и рулеткой, имеющая долгую историю применения в России. ^[3] Метод регулярно используется в строительстве для нахождения двух точек с одинаковой высотой, как при выравнивании пола. В простейшем случае используется трубка с открытыми обоими концами, прикрепленная к деревянной полосе, и трубка заполняется водой, а глубина на каждом конце отмечается. В России измерение глубины пещер методом гидронивелирования началось в 1970-х годах и считалось наиболее точным способом измерения глубины, несмотря на трудности использования громоздкого оборудования того времени. Интерес к этому методу возродился после открытия Вороньи на массиве Арабика на Кавказе . – на данный момент самая глубокая пещера в мире.

Устройство гидроуровня, использовавшееся в недавних экспедициях на Воронью, представляет собой 50-метровую (160 футов) прозрачную трубку, наполненную водой, которая смотана в спираль или намотана на катушку. На один конец трубки надевают резиновую перчатку, выполняющую роль резервуара, а на другой — металлический ящик с прозрачным окошком. В коробку погружены цифровые наручные часы дайвера с функцией глубиномера. Если резиновую перчатку поставить на одну станцию, а коробку с глубиномером на нижнюю, то гидростатическое давление между двумя точками зависит только от разницы высот и плотности воды, т. трубка не влияет на давление в коробке. Показание глубиномера дает видимое изменение глубины между более высокой и более низкой 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. Сложение показаний для последовательных пар станций дает общую глубину пещеры.^[3]

Точность

Точность или степень исследования пещеры зависит от методологии измерения. Обычная система оценки результатов опроса — это система, созданная Британской ассоциацией исследования пещер в 1960-х годах, в которой используется шкала из шести оценок. ^[4]

Система оценок BCRA

Оценка BCRA для исследования линии пещеры

1-й класс

Эскиз низкой точности, где не проводились измерения

Степень 2 (используйте только при необходимости, см. примечание 7)

При необходимости может использоваться для описания наброска, промежуточного по точности между 1 и 3 классами.

Класс 3

Грубая магнитная съемка. Горизонтальные и вертикальные углы измеряются с точностью до ±2,5°; расстояния измеряются с точностью до ±50 см; погрешность положения станции менее 50 см.

Степень 4 (используйте только при необходимости, см. примечание 7)

При необходимости может использоваться для описания обследования, которое не соответствует всем требованиям 5-го уровня, но является более точным, чем обследование 3-го уровня.

5 класс

Магнитная съемка. Горизонтальные и вертикальные углы измеряются с точностью до ±1°; расстояния должны наблюдаться и записываться с точностью до ближайшего сантиметра, а положение станций определяется с точностью менее 10 см.

6 класс

Магнитная съемка, более точная, чем 5 класс (см. примечание 5).

Х 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, в которой опущены некоторые технические детали и определения; определения степеней обследования, данные выше, следует читать вместе с этими примечаниями.
2. Во всех случаях необходимо следовать духу определения, а не только букве.
3. Для достижения степени 3 необходимо использовать клинометр в проходах со значительным уклоном.
4. Для получения степени 5 необходимо, чтобы инструменты были должным образом откалиброваны, и все измерения должны производиться из точки в пределах сферы диаметром 10 см с центром на исследовательской станции.
5. Съемка уровня 6 требует, чтобы компас использовался с предельно возможной точностью, т. е. с точностью до ±0,5°; показания клинометра должны быть с одинаковой точностью. Погрешность положения станции должна быть менее ±2,5 см, что потребует использования штативов на всех станциях или других фиксированных маркеров станций («крышных крюков»).
6. Обследование уровня X должно включать в примечания к чертежу описания используемых инструментов и методов вместе с оценкой вероятной точности обследования по сравнению с обследованиями уровня 3, 5 или 6.
7. Уровни 2 и 4 используются только тогда, когда на каком-то этапе освидетельствования физические условия не позволили освидетельствованию выполнить все требования, предъявляемые к следующему более высокому разряду, и повторное освидетельствование нецелесообразно.
8. Спелеологическим организациям и т. д. рекомендуется воспроизводить Таблицу 1 и Таблицу 2 в своих публикациях; для этого не требуется разрешения BCRA, но таблицы нельзя перепечатывать без этих примечаний.
9. Класс X только потенциально более точен, чем класс 6. Никогда не следует забывать, что теодолит/тахеометр — это сложный точный инструмент, который требует серьезной подготовки и регулярной практики, если вы не хотите совершать серьезные ошибки при его использовании!
10. При составлении координаты съемки должны быть рассчитаны, а не нарисованы от руки с помощью масштабной линейки и транспортира, чтобы получить 5-й класс.

Оценка BCRA для записи деталей прохода в пещеру

Класс А

Все детали прохождения основаны на памяти.

Класс Б

Детали прохода оценены и записаны в пещере.

Класс С

Измерения деталей производятся только на съемочных станциях.

Класс D

Измерения деталей, сделанные на съемочных станциях и везде, где необходимо показать значительные изменения в размерах прохода.

Примечания

1. Точность детали должна быть аналогична точности линии.
2. Обычно следует использовать только одну из следующих комбинаций геодезических оценок:
   • 1А
   • 3В или 3С
   • 5С или 5D
   • 6D
   • XA, XB, XC или XD

Обнаружение ошибок опроса

Оборудование, используемое для исследования пещер, продолжает совершенствоваться. Было предложено использовать компьютеры, инерционные системы и электронные дальномеры, но в настоящее время разработано мало практических подземных приложений.

Несмотря на эти достижения, неисправные приборы, неточные измерения, ошибки регистрации или другие факторы могут по-прежнему приводить к неточным результатам съемки, и эти ошибки часто бывает трудно обнаружить. Некоторые спелеологи измеряют каждую станцию ​​дважды, записывая обратную точку на предыдущую станцию ​​в противоположном направлении. Показания обратного компаса, которые отличаются на 180 градусов, и показания клинометра, имеющие то же значение, но с обратным направлением (например, положительное, а не отрицательное), указывают на то, что исходное измерение было точным.

Когда петля внутри пещеры исследуется до ее начальной точки, результирующий линейный график также должен образовывать замкнутую петлю. Любой разрыв между первой и последней станциями называется ошибкой замыкания петли . Если не наблюдается ни одной очевидной ошибки, можно предположить, что ошибка замыкания петли вызвана кумулятивными неточностями, и программное обеспечение для исследования пещер может «замкнуть петлю», усредняя возможные ошибки по петлевым станциям. Циклы для проверки точности исследования также могут быть созданы 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 точно определить глубину и местоположение передатчика в пещерном проходе путем измерения геометрии его радиоволн. Съемка над поверхностью от приемника до входа в пещеру образует искусственную петлю с подземной съемкой, погрешность замыкания которой затем можно определить.

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

Программное обеспечение для съемки

На различных компьютерных платформах доступно большое количество пакетов для съемки, большинство из которых были разработаны спелеологами, имеющими базовые знания в области компьютерного программирования. Многие из пакетов особенно хорошо работают для конкретных задач, и поэтому многие спелеологи не будут выбирать один продукт вместо другого для всех картографических задач.

Популярной программой для проведения осевой съемки является Survex , которая была первоначально разработана членами Клуба спелеологов Кембриджского университета для обработки данных съемки, полученных в ходе клубных экспедиций в Австрию. Он был выпущен для широкой публики в 1992 году. Затем данные осевой линии можно экспортировать в различные форматы, а детали пещеры нарисовать с помощью различных других программ, таких как AutoCAD , Adobe Illustrator и Inkscape . Другие программы, такие как «Tunnel» и Therion , имеют полные возможности редактирования осевых линий и карт. В частности, Therion, когда он закрывает циклы обзора, искажает отрывки, чтобы они соответствовали их длине, а это означает, что целые проходы не нужно перерисовывать. В отличие от возможностей 2D деформации Therion,CaveWhere искажает проходы в 3D. Это включает в себя план искривления и эскизы профилей. CaveWhere также поддерживает замыкание цикла (с помощью Survex) и предоставляет удобный интерфейс для ввода и визуализации данных обследования пещер. ^[5]

Наземные устройства LiDAR значительно повышают точность и снижают цену. ^{[ править ]} Несколько пещер были «сканированы» с использованием устройств LiDAR как «время пролета», так и «фазового сдвига». Различия заключаются в относительной точности, доступной каждому. Национальный парк Орегонские пещеры был просканирован с помощью лазера LiDAR в августе 2011 года, как и место археологических раскопок в пещерах Пейсли в юго-восточном Орегоне. ^{[ нужна ссылка ]} Оба изображения были отсканированы с помощью фазово-сдвигающего сканера FARO Focus с точностью +/- 2 мм. Пещеры Орегона были просканированы от главного общественного входа до выхода 110, а затем были обследованы кругом до точки начала. Данные еще не доступны для публичного использования, но копии хранятся как в Службе парков США, так и в i-TEN Associates в Портленде, штат Орегон. ^{[ нужна ссылка ]}

Автоматизированные методы

В последние годы в горнодобывающей промышленности используется технология подземного географического позиционирования под названием HORTA . Эта технология использует гироскоп и акселерометр для помощи в определении положения в 3D . ^[6]

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

Смотрите также

• Спелеология
• Список самых длинных пещер

использованная литература

внешняя ссылка

• История лазерного сканирования: пещеры Пейсли
• Compass Points , официальный журнал BCRA Cave Surveying Group.
• CaveMaps.org Surveys , коллекция обзоров британских пещер.