Нові передові датчики роблять барометричне нивелювання цінним для отримання даних про висоту там, де дані GNSS недоступні.
Барометричні альтиметри, раніше переважно пов’язані з авіацією, парашутним спортом та альпінізмом, тепер розширилися на широкий спектр застосувань завдяки зростанню доступності та зниженню вартості передових датчиків атмосферного тиску.
Ці альтиметри тепер інтегровані в різні електронні пристрої поряд із глобальними навігаційними супутниковими системами (GNSS), що дозволяє записувати вертикальні профілі разом з даними широти та довготи. Внаслідок цього барометричні альтиметри вбудовані в широкий асортимент споживчої електроніки, включаючи смартфони, годинники, фітнес-браслети, велосипедні комп’ютери, портативні пристрої з підтримкою GNSS та системи відстеження транспортних засобів.
У системах безпілотних літальних апаратів та моделюванні авіації барометричні альтиметри активно використовуються, причому барометрія часто служить основним методом вимірювання висоти. Безпілотні літальні апарати, зокрема, використовують кілька систем вимірювання висоти та переключаються між ними за необхідності (наприклад, радіо, GNSS, інфрачервоні або лазерні альтиметри). Барометр у безпілотнику може вимірювати як відносну, так і абсолютну висоту та надавати показники у одиницях середнього рівня моря (MSL) та над рівнем землі (AGL), залежно від застосування.
Це підкреслює потенціал для подальшого переоцінювання ролі барометричних альтиметрів у геопросторовій індустрії, особливо у масштабних топографічних зйомках та картографуванні віддалених районів, де традиційні методи нивелювання є нездійсненними. Барометричні альтиметри пропонують економічно ефективне рішення для визначення різниць у висоті на великих територіях, сприяючи створенню цифрових моделей висот (DEM) та допомагаючи у плануванні інфраструктурних проектів.
Більше того, барометричні альтиметри відродили інтерес до барометричного нивелювання, колись забутого методу геодезичних вимірювань для визначення різниць у висоті між точками на поверхні Землі. Хоча ця техніка часто згадувалася в геодезичних підручниках, вона вийшла з моди на фоні появи нових технологій нивелювання. Однак удосконалення точних барометричних датчиків (наприклад, MEMS-датчиків) та портативних метеостанцій значно покращили точність і практичність барометричного нивелювання, зробивши його життєздатним та простим методом нивелювання.
Цей підхід є особливо вигідним у середовищах, де традиційні методи нивелювання стикаються з викликами, такими як міські каньйони, густі ліси, тунелі або внутрішні навігаційні системи, де інші методи альтиметрії можуть мати труднощі. Колись вважався придатним лише для розвідкових або дослідницьких зйомок через сприймані обмеження точності, барометричне нивелювання тепер кидає виклик цим припущенням завдяки підвищеній точності та простоті використання.
Під час стабільних погодних умов барометричне нивелювання може бути більш надійним та точним, ніж навігаційний GPS/GNSS-приймач для вимірювання відносних висот між кількома точками. Деякі портативні GPS/GNSS-приймачі мають вбудовані барометричні альтиметри та алгоритми для об’єднання даних GPS/GNSS та атмосферного тиску. Ця інтеграція забезпечує можливість отримання користувачами більш точних та надійних даних про висоту, навіть при відсутності оптимальних супутникових сигналів.
Ця стаття пропонує стислий та інформативний огляд принципів, інструментів, методології та застосувань цієї недооціненої техніки нивелювання, підкреслюючи її важливість та практичне використання через приклад реального збору даних. Глибинні теоретичні пояснення були свідомо опущені, але доступні у спеціалізованій літературі з барометричної альтиметрії.
Як працює барометричне нивелювання?
Як і в барометричній альтиметрії, барометричне нивелювання ґрунтується на принципі, що атмосферний тиск зменшується із збільшенням висоти. Барометрична формула, яка пов’язує тиск із висотою, є основою цього методу. Вимірюючи атмосферний тиск у різних точках та застосовуючи цю формулу, можна визначити різницю у висоті між цими точками. Іншими словами, це базується на основній вимозі, що тиск, спричинений вагою стовпа повітря над спостерігачем, зменшується (або збільшується) в міру того, як спостерігач піднімається (або опускається) у висоту.
Як і будь-яка техніка нивелювання, точність барометричного нивелювання залежить від кількох факторів, включаючи температуру, вологість, процедуру зйомки, навички та досвід зйомочної групи, а також вертикальні та горизонтальні відстані між вимірювальними станціями. Крім того, оптимальні результати з цією технікою досягаються, коли погода стабільна та кліматичні умови залишаються послідовними, що взагалі є також загальними вимогами для сучасних методів нивелювання.
Існують два основних метода проведення барометричних нивелювальних зйомок. Перший — метод з одним базовим пунктом, який передбачає використання однієї базової станції для посилання. Один барометричний альтиметр залишається на базовій станції, висота якої відома, тоді як інший альтиметр (рухливий альтиметр) переноситься до інших точок або вимірювальних станцій, де необхідно визначити висоту. Різниця в одночасних показаннях, скоригована на зміни температури та тиску, дасть потрібну висоту.
Другий метод, який називається методом з двома базовими пунктами, вважається стандартом для точності. У відповідній низькій точці в межах зони зйомки встановлюється одна базова станція, тоді як друга базова станція розміщується на набагато вищій висоті. Один барометричний альтиметр використовується на кожній базі, а одночасні показання беруться та записуються у визначені проміжки часу на вимірювальних станціях по всій зоні інтересу.
Література з барометричного нивелювання також описує техніку leapfrog як варіацію методу з одним базовим пунктом. У такому підході обидва інструменти спочатку зчитуються разом на базовій станції. Потім рухливий альтиметр переміщується до першої вимірювальної станції, де проводяться зчитування, синхронізовані з базовою станцією. Після цього рухливий альтиметр переміщується до наступної вимірювальної станції, тоді як інструмент базової станції переміщується до попередньої станції рухливого альтиметра. Ця процедура leapfrog утримує інструменти близько один до одного, підвищуючи точність припущення, що варіації атмосферного тиску є послідовними в різних місцях. Частіше збирання зчитувань з інструментів дозволяє краще контролювати атмосферний дрейф. Для роботи цієї техніки зазвичай потрібні два оператори.
Для підвищення точності важливо одночасно вимірювати атмосферний тиск та температуру як на базовій, так і на вимірювальних станціях. Барометричне нивелювання є найбільш ефективним, коли вимірювання проводяться в межах декількох кілометрів від базової станції, особливо в дні зі стабільним барометричним тиском, часто супроводжуваним легким вітром і ясним або похмурим небом. Відстань між базовою та вимірювальними станціями може варіюватися залежно від точності барометричних інструментів, місцевих погодних умов і необхідної точності для зйомки.
Барометричне нивелювання пропонує кілька переваг. По-перше, воно дозволяє вимірювати висоту в місцях, де сигнали GNSS блокуються, що робить його ідеальним для локацій з обмеженим доступом до супутників. По-друге, обчислення даних можна легко виконувати за допомогою звичайного офісного програмного забезпечення, такого як Microsoft Excel, що спрощує обробку та аналіз даних. По-третє, воно ефективне в суворій або недоступній місцевості, мінімізуючи потребу в обширних фізичних робітках. Крім того, сучасні барометричні альтиметри та метеорологічні записувачі даних є легкими, компактними та економічно вигідними, і можуть бути інтегровані в інші пристрої, підвищуючи їхню практичність для польових операцій.
Перевірка гіпотези
Барометричне нивелювальне дослідження було проведено 6 липня 2023 року в Pacific Pines, передмісті Gold Coast (центральні координати E 153.326238, S -27.936753). Зйомка проходила в сонячний ранок з легким вітром (2-4 км/год) та температурами від 17°C до 20°C. Барометричні спостереження збиралися на 25 випадково вибраних станціях, з середньою відстанню 0,7 км в межах площі 10 квадратних кілометрів. Базова станція мала номінальну висоту 46,97 м, тоді як 25 вимірювальних станцій мали висоту від 2 м до 140 м, визначену за допомогою диференціального нивелювання з точністю ±0,02 метра.
Відомі висоти на 25 вимірювальних станціях у Pacific Pines були використані як довірчі значення для визначення фактичної різниці на кожній станції. Вимірювання проводилися за допомогою Kestrel DROP D3, бездротового записувача даних температури, вологості та тиску, та метеозонда Kestrel 2500 (обидва виготовлені компанією Nielsen-Kellerman Company, США). Виробник зазначає точність (Kestrel 2500) як 1,5 hPa (при 2 сигма) або ±0,75 hPa, і він здатний захоплювати та зберігати барометричний тиск, температуру, швидкість вітру та вологість, а також передавати дані через Bluetooth для подальшої обробки. Вартість Kestrel 2500 становить близько 170 доларів США, а Kestrel DROP D3 – близько 150 доларів США. У дослідженні, яке було завершено приблизно за 2,5 години, брав участь один спостерігач, який знімав показання на кожній вимірювальній станції після однієї-двох хвилин, щоб прилад осів.
Записувач даних Kestrel DROP D3 був розміщений на базовій станції з відомою висотою та фіксував час, тиск, температуру та вологість з інтервалом у 10 хвилин. Зауважте, що інструмент при такій частоті запису може зберігати інформацію понад 40 днів. Вологість контролювалася для забезпечення стабільних атмосферних умов, але не впливала на розрахунки висоти. Зчитування проводилися з портативної дерев’яної платформи висотою 10 см, розташованої на вершині кожної вимірювальної станції. Для синхронізації зчитувань між базовою та вимірювальними станціями використовувався метод інтерполяції. Kestrel 2500, як рухливий альтиметр, використовувався як вимірювальний пристрій на кожній станції. Транспорт між станціями здійснювався автомобілем.
Оскільки висоти всіх станцій були відомі, абсолютна похибка для кожної вимірювальної станції була визначена, що призвело до фінальної кореневої середньоквадратичної похибки (RMSE) у ±0,49 м. Обидва інструменти, використані в зйомці, були здатні вимірювати та зберігати атмосферний тиск з точністю до двох десяткових знаків, що свідчить про теоретичну можливість досягнення точності висоти менш ніж метр.
Проведено подібний другий тест для визначення впливу відстані від базової станції на точність визначення висоти вимірювальної станції. Для цього втручання використовувався встановлений постійний геодезичний знак (висота = 4,00 м) як базова станція та 12 постійних геодезичних знаків з відомою висотою як вимірювальні станції. Відстані відомих вимірювальних станцій до бази коливалися від 2 км до 14 км, а висоти варіювалися приблизно від 2,00 м до 140,00 м.
Як і очікувалося, обчислені висоти були значно точнішими на перших кількох вимірювальних станціях, які були найближчими до базової станції, порівняно з висотами, визначеними на решті маршруту. Похибки мали тенденцію до збільшення зі збільшенням відстані від бази до моменту досягнення максимуму на 12-й вимірювальній станції. Щоб уявити досягнуту точність, різниці між номінальними висотами та обчисленими можна побачити на наведеній нижче діаграмі. Зчитування тиску, температури, часу та відсотка вологості (лише з метою моніторингу) проводилися за допомогою рухливого інструменту та синхронізувалися з базовими зчитуваннями, зробленими з інтервалом у 5 хвилин. Всі подальші обчислення слідували тому ж процесу, що й у попередньому прикладі.
У цьому випадку вимірювання проводилися як у прямому, так і у зворотному напрямках, а результати висоти на кожній станції були усереднені. Зйомка тривала приблизно три години. Для забезпечення послідовності вона була проведена за подібних погодних умов, як і попереднє випробування, в сонячний день із коливаннями температури приблизно на 2,5°C від початку до завершення. Як і раніше, завдання виконував один оператор.
Фінальні висновки
Однією з основних проблем барометричного нивелювання є його чутливість до змін атмосферних умов. Варіації погодних патернів та місцевих погодних явищ можуть вводити помилки у зчитування, що призводить до неточностей у вимірюваннях висоти. Для зменшення цих проблем, окрім ідеальних погодних умов, надзвичайно важливо використовувати портативні барометричні інструменти (бажано одного виробника), які здатні генерувати точні одночасні спостереження тиску та температури.
Використання двох синхронізованих барометричних інструментів допомагає одночасно виявляти та коригувати різкі зміни атмосферного тиску, покращуючи надійність результатів. Цей підхід також зменшує систематичні помилки, які можуть впливати на кожен пристрій по-різному. Синхронізуючи зчитування з обох інструментів, мінімізуються упередження, специфічні для кожного пристрою, що призводить до кращих результатів.
Рекомендується вдосконалювати моделі атмосферної корекції, розробляти точніші барометричні інструменти, використовувати більше базових пунктів з можливостями реального часу запису даних та інтегрувати дані з іншими методами вимірювання висоти.
У підсумку, барометричне нивелювання є цінним для отримання даних про висоту там, де сигнали GPS/GNSS недоступні. Розвиток сенсорних технологій та методів покращить точність і розширить використання барометричного нивелювання в різних геопросторових сферах, включаючи області, пов’язані з екологічним моніторингом, геологічними дослідженнями та розвитком інфраструктури.
Можна стверджувати, що подібне дослідження можна провести за допомогою портативних GPS/GNSS-приймачів замість використання портативних метеостанцій, оскільки багато смартфонів та пристроїв, таких як продукти Garmin©, також здатні відображати координати широти та довготи разом з атмосферними даними, такими як тиск та температура. Хоча ці продукти є цінними завдяки своїй високій продуктивності та передовим функціям, вони зазвичай дорожчі.
Навпаки, використання двох інструментів одного виробника, як описано вище, відомих своєю надійною можливістю запису метеорологічних даних через встановлені інтервали, забезпечує послідовні вимірювання та доступність даних, зібраних одним оператором. Крім того, інструменти, спеціально розроблені для портативних метеостанцій, пропонують більш економічно вигідне рішення. Їх відносно низька вартість у поєднанні з придатністю для точного та надійного збору даних робить їх привабливим вибором для барометричних нивелювальних зйомок.
Автор: Габріель Скармана є асоційованим членом академічного складу Університету Південного Квінсленду.
Джерело: Spatial Source