JEODEZİ DE MODERN GÖZLEM YÖNTEMLERİ ve ALETLERİ Doç. Dr. Turgut 1SZEL Yıldız Üniversitesi Jeodezik ölçmede gözlem tekniklerinin modernleştirilmesi, şüphesiz yeni aletlere bağlıdır. Bu konuda ilk büyük gelişme, elektromağnetik uzaklık ölçerlerle olmuştur. UZUNLUK ÖLÇME ALETLERİ Elektromanyetik dalgalar yardımıyla uzunluk ölçen aletleri, ölçme uzunluğuna, kullandıkları dalgaların cinsine veya ölçme yöntemlerine göre sınıflara ayırmak mümkündlür. Ölçme uzunluğuna göre bir sınıflandırma yapılırsa : Çok kısa mesafe ölçerleri : Enterferans yöntemiyle ölçüm yapan bu aletlere, Hetolett - Pachard LASER enterferometresi örnek gösterilebilir. Bu aygıt, 50-60 m ye kadar uzunlukları ± (1-2x 10 ıo m) incelikle ölçebilir. Aynı türe giren ikinci alet ise VAISALA enterferanskomparatoru olabilir. VAISALA yaptığı aletle aldığı ilk sonuçları, ilk kez 1923 yılında ya. yı.ılamıştır. Baz ölçümü ve standart baz oluşturulmasında kullanılan. bu aletle elde edilen incelik ± 1x10 7 D Kısa mesafe EDIvI aletleri : Genellikle 3 km ye kadar uzunluk ölçen aletler bu sınıfa alınabilir. Günümüzde bu aletlerde kaynak olarak gaz LASER (Helyum - Neon), katı LASER (Yakutlu) ve yarı iletken LASER (Galyum Arsenid diyod) kullanılmaktadır. Bunlardan GA As diyod, kızılötesi ışın yay- 156
diğı için, gözle görülmez. Öteki ikisi, parlak kırmızı ışık yayarlar, Işık kaynağı kullandığı için elektrooptik veya optoelektronik uzunluk ölçerler denen bu aletlerle elde edilen incelik çoğunlukla; m = ± (5 mm + 5 x 10-* D) Yalnız Ksenon flaş tüp (yakutlu LASER) kullanan Kem Mekometer 3000'in verdiği ölçüm inceliği, m = ± (0,2 mm + 1 X I - 6 D) dir ki bu aletten özellikle deformasyon ölçümlerinde yararlanılabilir. Orta mesafe EDM aletleri 15 km ye kadar uzunlukları ölçebilen bu aletlerde kaynak olarak, He Ne LASER veya (Ga As diyod) yarı iletken LASER kullanılmaktadır. Ölçüm inceliği, m = ± (5 mm + 5 X 10-6 D) Uzun mesafe EDIVI aletleri 60 km ye kadar uzunlukları, genellikle elektrooptik EDM aletleri ile ölçülür. LASER'in ölçüm için elverişli özelliklerinden yararlanılarak, incelikli ölçümler yapılır. Genellikle He Ne gaz LASER kullanılan bu aletlerle elde edilen incelik, m = ± {5 mm + 5 X 10-6 D) Işığın standart eğrilik yarıçapı 7 R, mikrodalgaların standart eğrilik yarıçapı 4 R dir. Buna göre daha uzun mesafelerin, mikrodalga. lar yardımıyla ölçülebileceği ortaya çıkar. Gerçekten de mikrodalga aletleri ile 150 km ye kadar uzunluklar m = ± (15 mm + 5 X 10~* D) incelikle ölçülebilmektedir. Çok uzun mesafe ölçerler 150 km den daha uzak yeryüzü noktaları arasındaki mesafeler, dolaylı yolla ölçülür. 800 km ye kadar olan uzaklıkların ölçülmesi, 157
kıtaların bu dolaylı ölçüm yönteminde, taşıyıcı olarak radyo dalgalan kullanılır. Kendi arasında : Dönel Yöntemler GEE H, OBDE, SHORAN, HIRAN, E.P.I ve bir bakıma DECCA ve LAMBDA, Hiperbolik Yöntemler GEE, LORAN ve TORAN, İki uzunluk mode'u DECCA LAMBDA, DECCA Hİ Fix, DECCA Sea-Fix ve LORAC-C sistemleri olarak sınıflandırılabilir. İstenmeyen gök yansımalarının oluşturduğu girişimler, radyo - dalgaları yardımıyla uzaklık ölçümünü kötü bir şekilde etkiler. Bu nedenle elde edilen ölçüm inceliği pek fazla değildir. Örneğin HIRAN yöntemininki m = ± (0,9 m + 10 x 10-6 D) Ultra uzun mesafe ölçerler ile VLBI yöntemlerine ilişkin açıklamaları, biraz ertelemede yarar olacaktır. AÇI ÖLÇERLER Özellikle 1970'ten sonra; elektronik açı ölçümü konusundaki çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu arada, entegre devreler, bellekler mikroişlemeilerin devreye girmesi; ayrıca elektrooptik komporentlerin geliştirilmesi, çok yönlü işlevi olan elektronik takeometre düşüncesinin gerçekleşmesini sağlamıştır. Bir elektronik takeometre (EOT) dört ana modülden oluşur Bunlar : Uzaklık ölçme modülü Yatay açı ölçme modülü Düşey açı ölçme modülü Mikro 'işlemci modülü dür. 158
Uzaklık ölçme modülü, bir kısa mesafe elektrooptik uzaklık ölçeridir. Mikro işlemci, her türlü oluşma ve değerlendirme işlemini üstlenir. Yatay ve düşey açı okuma sistemleri aynıdır. Günümüzde (otomatik) elektronik açı okuma iki düzenle yapılmaktadır. Bunlar : Elektrooptik açı okuma düzeni Elektro-mekanik açı okuma düzenidir. Her iki düzende de kodlu disklerden yararlanılır. Düşey açı okunmasında yataylama ve sıfırlama iki ayrı elektronik sensorla sağlanır. EOT'la erişilen ineelik, "uzunluk = ± (5 mm + 5 X 10 6 D) m yatay = m düşey ^ ± 10 cc Daha incelikli elektronik açı okuma için çeşitli öneriler vardır. Bunların başında PRILEPl'in enterferans yöntemi gelir. Günümüzde henüz, teodolitin verdiği inceliğe erişen bir alet gerçekleşmemiştir. KONUM BELİRLEYEN ALETLER Konum belirleyen aletlere, VLBI'da katarak, modern arazi ölçme sistemleri denebilir. Uydu - LASER sistemi Eskiden, aya doğrultu ölçümleri yapılarak dünyanın şekline ilişkin parametreler ile, çekim alanı hesaplanmaya çalışılırdı. Şimdi, yapay dünya uyduları sayesinde daha incelikli değerler elde edilebildiği için, bu uğraşılar gerilerde kalmıştır. 1969 yılında uzaya fırlatılan APOLLO 11 ve ondan sonra APOLLO 14, 15 ve LUNA 21 île LUNAKHOD 2, ayın yüzeyine LASER yansıtıcıları yerleştirdiler. Böylece pulslü LASER'Ier yardımıyla dünya ile ay arasındaki uzaklık, istenen incelikte ölçülmeye başlandı. Bu gözlemler, 1969 yılından beri Texas Üniversitesi'nin Me. Donald Gözlemevi'nde sürekli olarak yapılmaktadır. Şimdi, gezici Uydu-LASER sistemleri devreye girmiştir. 159
Neodiyum YAG LASER'le gönderilen pulsun gidiş-dönüş zamanından uzaklık hesaplanır. Erişilen 'incelik ± 10 cm Bu gözlemlerden ayrıca UTl (üniversal time 1), dünyanın polar hareketi, gelgitler, büyük kitleler arasındaki tektonik hareketler de saptanabilmektedir. VLBİ Very Long Baseline Interferomety Kuasar (quasar_quasi.stellar gibi) ekstragolaktik radyo-kaynakları, santimetre veya desimetre dalga-boylu elektromagnetik dalgalar yayınlamaktadır. Bu dalgalar, büyük antenlerce alınıp, radyo - astronomide kullanılabilir. Böyle bir sistemde, birbirinden oldukça uzak (örneğin birkaç bin kilometre aralıklı) Pı ve P 2 ile gösterilen iki radyo-teleskop, sistemin temelini oluşturur. Radyo teleskopla (antenler), alıcı olarak görev yaparlar. Bunların her biri bir faz ölçere bağlanmışlardır. Böyle bîr sistemle uzaydaki bir radyo-kaynağına gözlem yapılırsa, bu kaynağın açısal boyutu ve yapısına İlişkin bilgiler alınabildiği için, bu iki istasyon arasındaki uzaklık da, hemen hemen ± 10 cm incelikle belirlenebilmektedir. Şekil : 1,2. 160
Şefâ! : 2 Ayrıca uydu bağlantılı sistem de kullanılırsa daha incelikli değerler elde edilebileceği umulmaktadır. Şekil : 3. Şekil : 3 Günümüzde kullanılan VLBI sistemleri ve bunlara ilişkin özellikler, çizelgede görülmektedir. 161
Uydu Doppler Sistemi Birçok devletin, halen dünyanın etrafında dönen çok sayıda yapay uydusu vardır. Bunlar, çeşitli amaçlar için uzaya fırlatılmıştır. Amerika Deniz Kuvvetleri'nin 6 TRANSİT uydusu, dünyanın etrafındaki kutupsal yörüngede, sürekli olarak dönmektedirler. Yükseklikleri yaklaşık 1000 km kadar -olan bu uydular, devamlı olarak, 400 MHz ve 150 MHz lik yüksek stabiliteli iki taşıyıcı frekans üzerinden kendi yörüngesini tanımlayan, bir seri veri yayınlarlar. Bu verileri toplayan, değerlendiren ve tekrar uyduya gönderip bunların yayınlanmasını sağlayan bir uydu izleme ağı vardır. Uydulardan gelen veri akımı, yer istasyon noktası üzerine konan anten ve ana bağı değerlendirme üniti yardımı ile, istasyon noktasının üç boyutlu koordinat değeri elde edilmektedir. Değerlendirmede doppler etkisinden yararlanılmaktadır. Ölçüler, «point positioning^ ve «translocation» olarak adlandırılan, gerçek ve rölatif mode'larda yapılır. Elde edilen incelik, geçiş sayısına bağlıdır. Ama belirli bir süre sonra ve translokasyon yöntemiyle ± 0,15 m GPI (Globa! Posftioning System) «NAVSTAR Global Positioning System», herhangi bir zamanda, dünya üzerindeki herhangi bir noktanın konumunu üç boyutlu olarak saptamak için, Amerika Hava Kuvvetleri'nce geliştirilmiştir. Uzay sistemi, üç yörünge düzleminde eşit olarak yerleşen ve peryodları 12 saai. olan 24 yapay uydudan oluşmaktadır. Her uyduda atomik frekans standartları bulunur. Bunlar, yüksek frekans stabilitesi ile presizyonlu zaman bilgisi sağlar. Uydular, iki (1575,4 MHZ ve 1227,6 MHz) band üzerinden yayın yaparlar. Uyduların konumuna, zamana ilişkin veriler, üç ayrı kodla bu dalgalar üzerinde yayınlanırlar. 4 yer kontrol ve izleme merkezi, bu uyduları sürekli olarak izler, alınan bilgiler ve gözlem değerleri, değerlendirilerek her uyduya ilişkin yörüngesel bilgiler, tekrar uydulara bildirilir. Normal bir GPS alıcısı, uydulardan gelen bu bilgilerden kendi konumunu incelikle saptar. Sadece geodezik amaçla kullanılan GPS alıcıları, Çizelge : 'de belirtilmiştir. 162
ÇİZELGE Adı Organizasyon Durumu Boyutu Gözlem CMA-782 Canadion Mevcut 5^n~pörtatif Pseudorange Marconi Co. satışa sunuldu. Doppler faz SII-501 Stanford Minibüse > Telecominications Inc. * monte edilmiş Magnavox Geliştiriliyor Portatif Texas Instrument»» SERIES Jet PropuMon Test Minibüse Faz farkı Laboratory ediliyor monte edilmiş uzaklık MITES Massachusetts Geliştiriliyor Portatif Faz farkı Institute of Technology Halen uyzaydo 7 NAVSTAR uydusu vardır. Sistem, 1987 yılında tam olarak devreye girecektir. Ölçme inceliği ± 10 cm olarak tahmin edilmektedir. fnensipti Ölçme Sistemi Inersiyal ölçme sistemi, bir helikopter veya bir minibüs içerisine yerleştirilmiş bir ivme ölçer, bir jiroskop ve bir yerçekimi ivmesini ölçer alet ile, bir işlemci biriminden oluşur. Bu sistemle, noktaların koordinatları ve noktalardaki çekül sapmaları, yerçekimi ivmesi, 1070'lerin sonundan itibaren hızla gelişen bu yöntemle elde edilen konum inceliği ± 30 ±50 cm, gravite ± 2 mgal, defleksiyon inceliği yaklaşık 2" IPS-1 (inertial positioning system) ile elde edilen bu değerler, 2 saatlik bir süre içerisinde yapılan, 35 km lik bir uzunluğa ilişkindir. SPAN's Litton Autosu!wegor aleti ile 80 km lik bir uzaklık için, ± 30 cm den daha iyi bir incelik elde edilmiştir. İleri bir analizle bunun 10 cm <ien daha aşağıya düşeceği umulmaktadır. Honeyvvell GEO/SPIN IPS-2 ve Ferranti FILS sistemleri, en yeni iki inersiyaj sistem aletidir. 163
Şekil :4 Günümüzde kullanılan bağıl feodezik konum belirleme yöntemleri ile, bunlara ilişkin özet bilgiler, çizelge ı Tepegöz : 5, 6, T.S. 6 da görülmektedir. ÂZİMUT ve YÖM BELİRLEYEN ALETLER Yön belirleyen aletler arasında jiroskop S : 35 ve navigasyon sistemlerini sayabiliriz. Navigasyon,sistemlerine, çok uzun mesafe ölçerler başlığı altında kısaea değinilmiştir. Bunlardan bir kısmı deniz ölçümlerinde kullanılmaktadır. Günümüzde, geliştirilmiş gözlem yöntemleri ve matematik modeller sayesinde modern jirolarla, jiro - azimutlarını ± 10 cc den daha ı'ıncelikle ölçülmektedir. En son gelişmiş aletler, entegre mikro _ işlemci ile donatılarak tam otomatik hale getirilmiştir. «Sekunder - kreisel» Gyromat (WBK, Boçhum), bu gelişme için bir örnektir. Bu alet, azimutu, birkaç dakikalık ölçüm sonunda vermektedir. Jiro-teodolitler konusundaki en yeni gelişme, LASER-iiroteodolitleri üzerinedir. Stuttgart'ta 1981 Eylül'ünde yapılan simpozyurr.da, 164
Koherent optik elyof jiroskobu Ring LASER jiroskobu konularında çok ilginç deney sonuçları üzerinde tartışılmıştır. LASER teodosiîlert LASER, çok dar, koherent ve yoğun bîr ışık verdiğinden, özellikle tünel ve galeri yapımında, doğrultu gösterici olarak kullanılır. Bunun için genellikle birkaç mili'vvatt güeünde bir He Ne (Helyum Neon) gaz LASER'den yararlanılır. Bu LASER xürü, parlak kırmızı bir ışık verir ve bu ışık karanlıkta veya görüş imkâmnın azaldığı yerlerde bile görülebilir. Dolayısıyla iş makinalarının operatörleri, çalışacakları alanı, rahatlıkla seçebilirler. Doğrultu gösterici olarak LASER aküleri LASER adaptörü' - den yararlanılabilir. : YÜKSEKLİK ve YÜKSEKLİK FARKI BELİRLEYEN ALETLER LASER nivoları Birinci derece jeodezik ağlarda ve bazı özel mühendislik yapılarının deformasyon ölçümlerinde, nivelmanda ulaşılabilen en yüksek incelik istenir. Ayrıca, dürbünün optik çözümienmesindeki bazı engeller ve atmosferik türbülans yüzünden oluşan nivo mira okuma hatası, 50 m den daha uzak mesafelerde hızla büyür. 19601ı yılların sonlarına doğru, LASER ışınlarının özelliklerinden nivelmanda da yararlanmak üzere çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Özellikle CHRANOWSKI (Kanada) SCHOLOSTRÖM (İsaco) ' ve SCHLEMMER (B. Alman)'m bu konuda başarılı araştırma ve çalış, maları vardır. LASER nivosu, bir LASER ışını gönderici ile üzerinde rnerkezleme detektörü ve sayısal okuma düzeni bulunan bir nivodan oluşur. Okumalar, doğrudan doğruya nivo üzerinden yapılır. LASER nivosu ile iki yeni olanak sağlanmıştır. Geometrik nivejmandaki yeni işleri okuma aralıkları 50 m den 100 m ve 200 m ye çıkmıştır. 165
Daha incelikli nivelman yapılabilmektedir : 100 m uzaklık ± 0,2 mm/km gidişdönüş nivelman ± 0.32 mm/km CHRANOVVSKI, ve öğrencilerinin bu aletle yaptığı deneyle, nehir geçişinde, klasik yönteme oranla çok daha başarılı sonuçlar alınabileceğini ortaya koymuştur. Oydu Altimetresi Bazı yapay uydulara yerleştirilen özel altimetre araçları yardımıyla, okyanus yüzeylerinin topografyası elde edilmektedir. Uydulardan gönderilen radar pulsleri, okyanusun yüzeyine çarpar ve geri yansır. Radar pulslerinin bu gidiş-dönüş zamanından uydu ile okyanus yüzeyi arasındaki uzaklık, h a = v.t/2 formülüyle hesaplanabilir. Uydunun o andaki koordinat değerleri (x u, y», z u ) belli olduğundan okyanus yüzeyinin konumu hesaplanabilir, Şekil : 5. Şekil : 5 1973'te SKYLAB'in başarısından sonra radar altimetresi ile ilk dünya ölçümü, GEOS yapay uydusu ile gerçekleşmiştir. 1978'de yörüngesine yerleştirilen SEASAT 1 ile elde edilen incelik ± 0,1 m Günümüzde kullanılan bu tür yapay uydulardan sadece okyanus yüzeylerinin topografyası değil aynı zamanda okyanus dalgala- 166