كيفية استخدام مجموع المحطات لرصد الانهيالات الأرضية وحركة الأرض

ما هو المحطة الكاملة ولماذا يهم لرصد الأراضي

ومحطة كاملة هي أداة مسح إلكترونية تجمع بين الشريان الالي والرأسي لقياس الزوايا الأفقية والرأسية ووحدة القياس عن بعد إلكتروني، وبإدماج هاتين الوظيفتين في جهاز واحد، يمكن للمحطة الكلية أن تحدد الإحداثيات الثلاثة الأبعاد لنقطة مستهدفة ذات دقة عالية، كما أن المحطات الكلية الحديثة تشمل أيضا سجلات البيانات على متنها، والمعالجات الدقيقة، والوصلات اللاسلكية، والسجلات الحقيقية.

وتتسبب الانهيارات الأرضية وحركات الأرض في أضرار تبلغ بلايين الدولارات كل عام وتثير مخاطر خطيرة على الهياكل الأساسية والممتلكات والحياة البشرية، ويعد الكشف المبكر عن التشوهات الأرضية أمرا أساسيا لإصدار الإنذارات في الوقت المناسب وتنفيذ استراتيجيات فعالة للتخفيف من حدة الكوارث، ويوفر مجموع المحطات دقة دون المستوى على المسافات تتراوح بين بضعة أمتار وعدة كيلومترات، مما يجعلها مناسبة تماما لرصد الانهيالات الأرضية البطيئة، والمناطق الفرعية، والمسافات غير المستقرة.

وعلى عكس الرصد القائم على النظام العالمي لتحديد المواقع، الذي يمكن أن يعاني من أخطاء متعددة الملامح في التضاريس الحادة أو تحت غطاء الكثيف، تعتمد محطة كاملة على القياسات البصرية التي تُجرى على خط البصر، مما يجعلها فعالة بصفة خاصة في البيئات المغلقة مثل الوديانات والمحاجر ومواقع البناء التي تكون فيها الإشارات الساتلية ضعيفة أو معوقة، وعندما يتم نشرها بشكل صحيح، توفر محطة كاملة طريقة موثوقة وقابلة للتشريد.

The information in this guide is relevant for geotechnical engineers, environmental consultants, surveying professionals, and civil infrastructure managers who need to design or operate a ground movement monitoring program. External resources such as USGS Landslide Hazards Program and landslide monitoring research at the University of Edinburgh3[FL:] additional

لماذا توجد محطات أساسية لتحديد حركة الأرض

ارتفاع مستوى قياس الاستحقاق

ويمكن أن تحقق محطة كاملة من الدرجة المهنية دقة من 1 إلى 5 ثوان من القطب الشمالي ودقة من مسافة 1 إلى 3 ملم، بالإضافة إلى جزأين من المليون، وهذا المستوى من الدقة يسمح للمساحين بالكشف عن التحولات الأرضية كصغيرة كبضعة مليمترات، وهو أمر حاسم لتحديد المراحل المبكرة من فشل المنحدرات، وبإجراءات قياس دقيقة ومعيار منتظم، يمكن للمحطة الكلية أن تحافظ على هذه الدقة على مدى سنوات من الملاحظات المتكررة.

الإطار المرجعي المستقر

ويعتمد الرصد الكلي للمحطة على شبكة من نقاط المراقبة المستقرة التي تم تركيبها خارج المنطقة المعرضة للأراضي، وتوفر هذه المعايير نظاما تنسيقيا متسقا لا يزال دون تغيير حتى مع التحركات الجماعية للأراضي، ويمكن للمحللين، من خلال قياسهم من نقاط المراقبة نفسها خلال كل دورة من دورات الدراسة الاستقصائية، أن يعزلوا التشوهات الأرضية الحقيقية عن الأخطاء العائمة أو المستقرة في الأدوات، وتميز هذه القدرة على إنشاء مرجع خارجي ثابت الرصد الكلي للمراكز عن الأساليب التي تعتمد على الأهداف الداخلية.

المرونة في التنسيب المستهدف

ويمكن أن يقيس المركز الإجمالي النشوة أو الأهداف المجسّدة أو حتى السمات الطبيعية باستخدام تكنولوجيا التصوير المائي المقطعي التي لا تعكس أي ملامح، ويمكن للمساحين أن يركّزوا على المباني أو يحافظوا على الجدران أو وجوه الصخور، أو أن يضعوا أهدافا مؤقتة على طول المنحدر وأن يقيسوها دوريا، كما أن الأساليب التي لا تتردد تسمح باتخاذ القياسات من مسافة دون الحاجة إلى الوصول إلى أفراد أراضٍ خطيرين أو غير مستقرين، مما يقلل من مخاطر السلامة على الميدان.

إعداد برنامج لرصد المحطة

تقييم الموقع وتركيبه

وقبل بدء أي قياس، يجري تقييم شامل للموقع لفهم التضاريس والجيولوجيا وآليات الفشل المحتملة للمنحدر، ويحدد أرض مستقرة خارج المنطقة التي يمكن فيها تركيب نقاط المراقبة، وينبغي أن ترتكز هذه النقاط على أساس متين أو أسس عميقة لضمان بقاءها ثابتة بمرور الوقت، واستخدام أعمدة ملموسة معززة أو قضبان فولاذية متجهة إلى الرفض، وحمايتهم من اضطرابات الارتداد والنباتات.

(ب) أن تُرجِع نقاط المراقبة بحيث يكون لكل محطة قياس خط واضح من حيث المقاييس المرجعية على الأقل، ويتيح إعادة التوحيد في شبكة المراقبة إجراء فحص شامل ويساعد على تحديد أي نقاط مرجعية قد تكون قد تحولت، وتسجيل الإحداثيات الدقيقة لكل نقطة مراقبة باستخدام مسح ثابت للنظام العالمي لتحديد المواقع أو مسار عالي الدقة قبل استخدامها كمراجع لرصد المحطة بأكملها.

معايرة المعدات والتحقق منها

ويجب أن يكون هناك معايرة مناسبة لمحطة كاملة لإنجاز نتائج موثوقة، وأن يكون هناك تسلسل معايرة يوصى بها المصنع مرة واحدة على الأقل في الموسم أو بعد أي مناولة قاسية أثناء النقل، وتشمل الخطوات الرئيسية للمقاييس ما يلي:

تعديل التواطؤ لمواءمة خط البصر مع المحاور الأفقية والرأسية
معايرة المحاسبين لضمان مستويات الأجهزة نفسها بشكل صحيح على ثلاثي
التحقق من نظام الإدارة البيئية باستخدام خط الأساس المعروف
التحقق المستمر من نظام بريزم لمواءمة النُظم المحددة المستخدمة في الميدان

توثيق جميع نتائج المعايرة والاحتفاظ بسجل يمكن استعراضه إذا ظهرت شذوذات البيانات لاحقا، وعند العمل مع محطات متعددة من المجموع في نفس الموقع، يعاد استخدامها في مجموعة مشتركة من الأهداف للقضاء على الاختلافات المنهجية بين الصكوك.

إنشاء محطة قياسات متكررة

التجمّع والصك

استخدام ثلاثي المدونات الثقيلة مع طول ساق ثابت أو ساقين قابلين للتعديل يغلقان بأمان، وضعاً ثلاثياً على أرض مستقرة بعيداً عن التربة السائبة أو الجذور أو السطحات اللينة التي يمكن أن تستقر خلال دورة القياس، وتوسعاً في ساقيها وتضغط عليهما بقوة في الأرض، وركزا على نقطة المراقبة باستخدام سباكة بصرية أو ليزرية، ثم رتباً الآلة أو الحاسبة الإلكترونية.

وبالنسبة للرصد الطويل الأجل، النظر في تركيب منابر دائمة للصكوك أو ركائز تركز على الإكراه تسمح بإنشاء المحطة الإجمالية بنفس الموقف تماما لكل دورة، وتقضي هذه البرامج على تقلب المنصات وتقليص الوقت اللازم لكل دورة قياس.

تنسيق مراقبة المدخلات

أدخل الإحداثيات المعروفة لنقطة المراقبة المحتلة إلى المحطة الكلية قبل بدء أي قياسات، وإذا كان الصك يدعم تنسيق الهندسة، استخدم نظام إنشاء المحطة بشكل روتيني لتوجيه الأداة من خلال رؤية نقطة مراقبة ثانية، وهذه العملية تنشئ نظام تنسيق محلي يظل متسقا من الدورة إلى الدورة، وتحقق من المنشأة بقياس نقطة مراقبة ثالثة، وتحقق من الموقع المحسوب مقابل إحداثياتها المعروفة، وينبغي أن يكون الخطأ المتبقي ضمن نطاق تحمل المشروع، وهو ٢ إلى ٣.

الاعتبارات البيئية

وتؤثر حالات الارتداد والدرجات الحرارية والضغط الجوي على قياسات الديموغرافيا، ودرجة الحرارة الدخيلة والرطوبة والضغط البارومتري عند بداية كل دورة، وتدخل هذه القيم في المحطة الكلية حتى يمكن تطبيق التصويبات الجوية المناسبة، وتتفاوت القياس خلال فترات الحرارة الشديدة، والمطر الثقيل، والرياح المرتفعة التي يمكن أن تخفض الدقة في الغلاف الجوي إذا أمكن، فإن قياسات الآجال في وقت مبكر.

قياس الحركة الأرضية مع محطة إجمالية

الاختيار والتركيب المستهدفان

اختيار مواقع الهدف التي تمثل مناطق الحركة الحرجة للمنحدرات، وضع أهداف في مناطق تشقق التوتر، وجوه الشحوم، الحدود الشريحة القائمة، وعلى طول قنوات الصرف، واستخدام الرزم العالية الجودة المثبتة على الأقواس المشعّة أو ثلاثيّة الجودة التي تقاوم الاهتزاز والريح، لأغراض القياسات المتقاطعة، سمات طبيعية مختارة مثل زوايا الصخور، أو حواف البناء، أو العلامات المطلة في الآلات.

وضع خريطة موقعية مفصلة تبين موقع كل هدف ورقم تحديده ووصف لظهوره المادي

إجراء القياس

إنشاء المحطة الكلية فوق نقطة المراقبة وتوجيهها إلى الاتجاه المرجعي.
بدءًا من بلوغ الهدف الأبعد أو الأكثر أهمية للتقليل إلى أدنى حد من تأثير تغير الظروف الجوية.
وجه كل هدف بعناية، وركز التلسكوب للقضاء على المفارقات، وسجل الزاوية الأفقية، والزاوية العمودية، وقطع المسافة.
استخدم متوسط الحرف المضاعف و القراءات الجاهزة لإلغاء أخطاء التصادم
كرر قياس نقطة مراقبة واحدة على الأقل في نهاية الدورة للتحقق من أن إنشاء الصك لم يتغير.

تتبع نفس التسلسل في قياسات الأهداف خلال كل دورة، فالاتساق في نظام القياس يقلل من تأثير الدورات البيئية الدوارة على البيانات، وإذا كان برنامج الرصد يشمل محطات متعددة المجموع، ويتزامن ساعاتها الداخلية، وينسق الجدول الزمني للقياس بحيث تراعي جميع المحطات نفس الظروف الجوية.

القياس

اختر تواتر قياسي يضاهي معدل الحركة المتوقع، فبالنسبة للانهيالات الأرضية البطيئة الحركة التي تبلغ سرعة بضع سنتيمترات في السنة، كثيرا ما تكون القياسات الشهرية أو الفصلية كافية، وبالنسبة للشرائح النشطة أو المناطق التي تشهد حركة سريعة، تزيد من التواتر إلى أسبوعي أو حتى يومي، وترصد بيانات سقوط الأمطار وتضع قياسات إضافية بعد أحداث عواصف كبرى، حيث تتسارع العديد من الانهيالات الأرضية أثناء أو بعد حدوث تهطال الشديد مباشرة.

الحفاظ على وقت ثابت من اليوم لقياس درجة الحرارة اليومية ودورات إعادة الشحن، وإذا كانت خطة الرصد تتطلب تغطية على مدار السنة، وخطة لفرض قيود موسمية على الوصول مثل الغطاء الجليدي أو إغلاق الطرق، ووضع بروتوكول طوارئ لشحن البطاريات، وحماية الأدوات، ودعم البيانات عند العمل في المواقع النائية.

تحليل وتفسير مجموع بيانات المحطة

خفض البيانات وتنسيق الحسابات

بيانات المحطة الإجمالية تتكون من مسافات منحدرة وزوايا أفقية وزوايا عمودية، وتحول هذه القياسات إلى إحداثيات ثلاثية الأبعاد باستخدام برامجيات الآلة على متن السفينة أو مجموعة معدات ما بعد التجهيز، وتطبيق أي تصحيحات ضرورية لمسح الأرض وإعادة التخدير وقابلات الأجهزة، ونتيجة لذلك مجموعة من الإحداثيات الكارتيسية (الشمالية والشرقية والارتقاء) لكل هدف في كل قياس.

تحليل مواقع التشرد

وبعد أن تُحسب الإحداثيات لبقع متعددة، يحسب التشريد لكل هدف بسحب إحداثياته في البداية (خط الأساس) من إحداثياته في كل خندق لاحق، ويضع ناقلات التشريد في نظرة مخططة ويعبرها بهدف تصور اتجاه الحركة وحجمها، ويبحث عن أنماط مثل:

حركة متماسكة نحو سطح الفشل المشترك
تناوب أو غرس الحيتان
التعجيل بمعدلات التنقل عبر الزمن
الارتباط المكاني مع سقوط الأمطار أو عوامل أخرى محفزة

طرق إحصائية مثل التراجع الخطي أو تحليلات السلاسل الزمنية يمكن أن تساعد على التمييز بين التشريد الحقيقي وبين الضجيج القياسي، وحساب الانحراف المعياري عن القياسات المتكررة على نقاط المراقبة المستقرة لتقدير الحد الأدنى من الضوضاء لنظام الرصد، وأي تشرد يتجاوز ثلاثة انحرافات معيارية يعتبر أمراً هاماً.

استخدام برامجيات متخصصة للرؤية

وهناك عدة مجموعات من البرامجيات التجارية والبرمجية المفتوحة المصدر تدعم تحليل البيانات الإجمالية لمراكز الرصد، إذ تتيح برامج مثل [(FLT:0]] المكتب الجيولوجي لأمريكا اللاتينية ، أو مركز الأعمال الثلاثي، أو " تحليل التوزيع " الذي يُفتح المصدر المفتوح للمستخدمين استيراد البيانات، وتوليد ناقلات التشريد، وخلق قطعاً من الوقت، وإنتاج خرائط تساعد على تسريع وتيرة نقل أصحاب المصلحة.

ويفيد التصوير بالأشعة ثلاثية الأبعاد بشكل خاص في مجال قياسات الهندسة المتشابكة بالأراضي، إذ يمكن للمحللين، عن طريق معالجة ناقلات التشريد على نموذج رقمي للارتقاء مستمد من بيانات المحطة الإجمالية، أن يحددوا مناطق التمديد والضغط والانتشار الأفقي التي قد لا تكون واضحة من الأعداد الخام وحدها.

Establishing Alert Thresholds

تحديد قيم الحد الأدنى للتشرد وسرعته التي تؤدي إلى الإنذار أو إلى زيادة الرصد، مثلاً، قد يتطلب التشريد التراكمي لـ 50 ميليميتر على مدى شهر واحد زيادة تواتر الرصد، في حين أن تشرد 100 ميليميتر في أسبوع واحد يمكن أن يحفز السلطات المحلية على تحذير، وترسيخ هذه العتبات على جيولوجيا الموقع المحدد، ومستوى الخطر المقبول، ودرجة الدقة في نظام القياس.

ويمكن تشكيل محطات كاملة آلية لإرسال تنبيهات في الوقت الحقيقي عبر البريد الإلكتروني أو نظام الرصد الذاتي عندما يتجاوز التشريد الحدود المحددة مسبقاً، وهذه القدرة قيمة خاصة بالنسبة للمواقع القريبة من الطرق أو السكك الحديدية أو المناطق المأهولة حيث يكون الرد السريع ضرورياً.

إدماج مجموع المحطات التي تستخدم تكنولوجيات الرصد الأخرى

الاستخدام التكميلي للنظام العالمي لتحديد المواقع والنظم العالمية لسواتل الملاحة

وفي حين أن مجموع المحطات يوفر قدرا كبيرا من الدقة المحلية، فإن أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع والنظم العالمية لسواتل الملاحة توفر تغطية مستمرة دون أن تتطلب خطا من الأنظار بين المحطات، حيث أن الجمع بين هاتين اللغتين يعطي صورة أكمل لسلوك المنحدرات، ويستخدم محطات كاملة لرصد المناطق التي تُعوق وجهات النظر أو التي يلزم فيها الدقة على مستوى المليمتر، ويستخدم أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع لتتبع أنماط مكانية أوسع، ويوفر بيانات احتياطية خلال فترات ضعف الرؤية.

Incorporating InSAR and Remote Sensing

ويمكن للرادار الاصطناعي المكون من السواتل أن يكشف عن التشوه السطحي في المناطق الواسعة التي تتسم بحساسية المليمترات، وأن يستخدم في منطقة البحث العلمي لتحديد الانهيالات الأرضية الجديدة أو التي تنشط في جميع أنحاء المنطقة، ثم يركز الرصد الكلي للمحطة على المواقع ذات الأولوية العليا، ويحقق هذا النهج المترابطة الحد الأمثل لتخصيص الموارد ويكفل تركيز القياسات الأرضية المفصلة حيثما تكون الحاجة إليها أشد.

الوصل مع بيزمومتر ورين غاوغس

وتتأثر حركة تساقط الأراضي بقوة بضغط مياه الدواجن وتهطالها، إذ يمكن أن تحقق العلاقة الزمنية الواضحة بين سقوط الأمطار الغزيرة وحركة الأمطار المعجلة من بيانات المحطة الإجمالية وأن تعزز قاعدة نظم الإنذار المبكر.

أفضل الممارسات في مجال رصد المحطات الطويلة الأجل

الوثائق والبيانات الوصفية

الاحتفاظ بسجلات دقيقة لكل دورة من دورات الرصد، بما في ذلك الأرقام التسلسلية للصكوك، ومواعيد المعايرة، والظروف الجوية، وأسماء الموظفين الميدانيين، وأي شذوذ مصادف، وتخزين ملفات البيانات الخام في مستودع آمن خاضع لمراقبة النسخ، وضمان إمكانية مقارنة البيانات المجمعة على مدى سنوات وتفسيرها على نحو صحيح.

ضمان الجودة والتعافي

(ب) إدراج القياسات الزائدة عن الحاجة في كل دورة: قياس نقطة مراقبة واحدة على الأقل كفحص، وإدراج قياسات مزدوجة لمجموعة فرعية من الأهداف لتقييم قابلية التكرار، وإذا سمحت ميزانية الرصد، تركيب محطتين إجماليتين في مواقع مختلفة لتوفير الدعم والتكفير في حالة فشل الأجهزة.

الشبكة الدورية

وحتى نقاط المراقبة المستقرة يمكن أن تتغير بمرور الوقت بسبب التكتونية الإقليمية أو تغيرات المياه الجوفية أو البناء القريب، وتعيد مراقبة شبكة المراقبة بأكملها سنوياً بإجراء مسح للأماكن العالية الدقة أو النظام العالمي لتحديد المواقع، وإذا تبين أن أي نقطة مراقبة قد تحركت، وتستكمل إحداثياتها وتعيد حساب جميع قيم التشرد من خط الأساس المصحح.

التحديات والحدود في مجال الرصد الكلي للمحطة

ويتطلب رصد المحطة بكاملها وجود خط واضح للرؤية بين الأداة وكل هدف، ويمكن لنمو الغطاء النباتي أو تراكم الثلج أو تركيب هياكل مؤقتة أن يحجب خطوط الرؤية ويعطل برنامج الرصد، ومن الضروري صيانة الموقع بانتظام لإزالة الغطاء النباتي وتراجع أهداف إعادة التركيب.

ولا تزال عملية إعادة الاحتيال البيئي أكبر مصدر لعدم اليقين في قياس الزوايا، فخلال المسافات الطويلة التي تبلغ 500 متر أو أكثر، يمكن أن تؤدي حتى درجات الحرارة الصغيرة إلى تخطي خط البصر وإدخال أخطاء في عدة مليمترات، كما أن إبقاء خطوط البصر قصيرة بقدر ما تكون عملية وقياسها خلال الظروف الجوية المستقرة يساعد على التخفيف من هذا الأثر.

أما مجموع المحطات فهي أدوات إلكترونية حساسة للرطوبة والغبار ودرجات الحرارة القصوى، وفي البيئات الميدانية القاسية، تتطلب الأدوات مساكن وقائية، وبقايا، وخدمات منتظمة للحفاظ على الأداء، وميزانية البطاريات البديلة، وقطع الغيار، والصيانة الدورية للمصانع عند التخطيط لبرنامج رصد طويل الأجل.

خاتمة

وتشكل المحطات الإجمالية أدوات قوية لرصد الانهيالات الأرضية وحركات الأرض عند تطبيقها بتخطيط دقيق، وإجراءات متسقة، وتحليل دقيق للبيانات، وقدرتها على تحديد مراجع خارجية مستقرة، ومرونة في وضع الأهداف تجعلها مناسبة تماما لتتبع حالات الفشل البطيئة في المنحدرات وكشف علامات الإنذار المبكر بالإنهيار السريع، ومن خلال إدماج قياسات المحطات الكلية بالتكنولوجيات التكميلية مثل النظام العالمي لتحديد المواقع، ونظام إنسار، ونظم رصد مخاطر المواد الهيدرولوجية، يمكن للمهندسين أن يبنيين أن يبنيوا نظما للرصد الشامل.

وبالنسبة للمهنيين الذين يسعون إلى تصميم أو تحسين برنامج لرصد الحركة الأرضية، فإن الاستراتيجيات المبينة في هذه المادة توفر أساسا عمليا، كما أن استمرار التقدم في محطات التكوين الآلي لتجهيز البيانات، والاتصال في الوقت الحقيقي لن يعزز إلا دور مجموع المحطات في رصد الانحلال الأرضي لسنوات قادمة، ويمكن الاطلاع على توجيهات إضافية بشأن الرصد الجيوتقني في مركز موارد الرصد الجيوتقني .