Исследование пещеры

Исследование пещеры

Исследование пещер — это карта всей или части пещерной системы, которая может быть составлена ​​с учетом различных стандартов точности в зависимости от условий пещеры и оборудования, доступного под землей. Обследование пещер и картография , то есть создание точной и подробной карты, являются одними из наиболее распространенных технических видов деятельности, выполняемых в пещерах, и являются фундаментальной частью спелеологии . Исследования могут использоваться для сравнения пещер друг с другом по длине, глубине и объему, могут выявить подсказки о спелеогенезе , 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, позволяющие получить более реалистичное представление пещерной системы.

История

Обследование пещер Мраморная арка в 1908 году , проведенное Йоркширским клубом бродяг.

Первый известный план пещеры датируется 1546 годом и представляет собой искусственную пещеру в туфе под названием Stufe di Nerone (Печь Нерона) в Поццуоли недалеко от Неаполя в Италии. Первой естественной пещерой, нанесенной на карту, была Бауманншёле в Германии , эскиз которой сохранился от 1656 года.

Другое раннее исследование датируется 1680 годом и было проведено Джоном Обри из Лонг-Хоула в ущелье Чеддер . Он представляет собой возвышенную часть пещеры. В последующие годы было проведено множество других исследований пещер, хотя большинство из них представляют собой эскизы и точность ограничена. Первой пещерой, которая, вероятно, была точно обследована с помощью инструментов, является Грот де Миремон во Франции . Он был обследован инженером-строителем в 1765 году и включает в себя множество поперечных сечений. Эдуард-Альфред Мартель был первым, кто описал методы геодезической съемки. Его наблюдения проводились с помощью помощника, идущего по коридору до тех пор, пока они почти не скрылись из виду. Затем Мартель ориентировался по компасу на фонарь ассистента и измерял расстояние, подходя к ассистенту. Это будет соответствовать 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 большой университетский компьютер, и был создан бумажный график.

Методология

Существует множество вариаций методологии съемки , но большинство из них основано на аналогичном наборе шагов, который принципиально не изменился за 250 лет, хотя инструменты (компас и лента) стали меньше и точнее. С конца 1990-х годов цифровые инструменты, такие как дистометры, начали менять этот процесс, что привело к появлению полностью безбумажной съемки примерно в 2007 году. Основным вариантом обычной методологии, подробно описанной ниже, были такие устройства, как геодезисты LIDAR и SONAR, которые производят точечную съемку. облако, а не серия связанных станций. Видеосъемка также существует в форме прототипа.

Геодезия

Исследовательская группа начинает с фиксированной точки (например, у входа в пещеру) и измеряет серию последовательных измерений прямой видимости между станциями. Станции представляют собой временные фиксированные места, выбранные главным образом из-за легкости доступа и хорошей видимости вдоль прохода в пещеру. В некоторых случаях станции съемки могут быть постоянно отмечены, чтобы создать фиксированную контрольную точку, к которой можно вернуться позже.

Измерения, проводимые между станциями, включают в себя:

• направление ( азимут или пеленг ), измеренное с помощью компаса
• отклонение от горизонтали (падение), измеренное клинометром
• расстояние измеряется малорастягивающейся лентой или лазерным дальномером
• опционально расстояние до окружающих стен – влево, вправо, вверх, вниз ( LRUD )

Одновременно с записью прямолинейных данных регистрируются детали размеров прохода, формы, постепенных или внезапных изменений высоты, наличия или отсутствия стоячей или проточной воды, расположения примечательных объектов и материала на полу, часто с помощью схематическая карта.

Рисование линейного графика

Позже картограф анализирует записанные данные, преобразуя их в двумерные измерения посредством геометрических расчетов. Из них он/она создает линейный сюжет ; масштабированное геометрическое изображение пути через пещеру.

Завершение

Затем картограф рисует детали вокруг линейного графика, используя дополнительные данные о размерах прохода, потоке воды и топографии пола/стен , записанные в то время, чтобы произвести завершенное исследование пещеры. Исследования пещер, нарисованные на бумаге, часто представляются в двухмерном виде в плане и/или профиле , тогда как компьютерные исследования могут моделировать трехмерные изображения. Хотя в первую очередь они созданы для функциональности, некоторые спелеологи рассматривают исследование пещер как форму искусства.

Гидровыравнивание

Гидронивелирование — альтернатива измерению глубины клинометром и рулеткой, имеющая давнюю историю применения в России. Этот метод регулярно используется в строительстве зданий для нахождения двух точек одинаковой высоты, например, при выравнивании пола. В простейшем случае используется трубка с открытыми обоими концами, прикрепленная к деревянной полоске, трубка наполняется водой и отмечается глубина на каждом конце. В России измерение глубины пещер методом гидронивелирования началось в 1970-х годах и считалось наиболее точным способом измерения глубины, несмотря на трудности с использованием громоздкого оборудования того времени. Интерес к этому методу возродился после открытия Вороньи в массиве Арабика на Кавказе – в настоящее время второй по глубине пещеры в мире.

Устройство гидроуровня, использованное в недавних экспедициях в Воронью, представляет собой прозрачную трубку длиной 50 метров (160 футов), наполненную водой, которая свернута или помещена на катушку. На один конец трубки надевают резиновую перчатку, выполняющую роль резервуара, а на другой — металлический ящик с прозрачным окном. В коробку погружены цифровые наручные дайверские часы с функцией глубиномера. Если резиновую перчатку поставить на одну станцию, а ящик с глубиномером - на нижнюю, то гидростатическое давление между двумя точками зависит только от разницы высот и плотности воды, т.е. от маршрута движения. трубка не влияет на давление в коробке. Показания глубиномера дают видимое изменение глубины между более высокой и нижней станцией. Изменения глубины «очевидны», поскольку 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 последовательных пар станций дает общую глубину пещеры.

Точность

Точность или степень обследования пещер зависит от методологии измерений. Распространенной системой оценок обследований является система, созданная Британской ассоциацией исследования пещер в 1960-х годах, которая использует шкалу из шести оценок.

Система оценок BCRA

Оценка BCRA для исследования линии пещеры

1 класс

Эскиз низкой точности, где не проводились измерения

Класс 2 (применять только при необходимости, см. примечание 7)

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

3 класс

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

Класс 4 (применять только при необходимости, см. примечание 7)

Может использоваться, при необходимости, для описания обследования, которое не соответствует всем требованиям уровня 5, но является более точным, чем обследование уровня 3.

5 класс

Магнитная съемка. Горизонтальные и вертикальные углы измеряются с точностью до ±1°; расстояния следует наблюдать и фиксировать с точностью до сантиметра, а положения станций определять с точностью менее 10 см.

6 класс

Магнитная съемка с точностью выше 5-го класса (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, в которой опущены некоторые технические детали и определения; определения оценок, приведенные выше, следует читать вместе с этими примечаниями.
2. Во всех случаях необходимо следовать духу определения, а не только букве.
3. Для получения степени 3 необходимо использовать клинометр в проходах, имеющих значительный уклон.
4. Для достижения 5-го класса важно, чтобы инструменты были правильно откалиброваны, и все измерения должны проводиться из точки внутри сферы диаметром 10 см с центром на исследовательской станции.
5. Съемка 6-го класса требует использования компаса на пределе возможной точности, 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 стационарных маркеров станций («крючков на крыше»).
6. Обследование класса X должно включать в примечаниях к чертежам описания использованных инструментов и методов, а также оценку вероятной точности исследования по сравнению с исследованиями уровня 3, 5 или 6.
7. Оценки 2 и 4 предназначены для использования только в том случае, если на каком-то этапе обследования физические условия не позволяют выполнить все требования для следующей более высокой оценки и повторное обследование нецелесообразно.
8. Спелеотехническим организациям и т.д. рекомендуется воспроизводить Таблицу 1 и Таблицу 2 в своих собственных публикациях; Разрешение от BCRA для этого не требуется, но таблицы нельзя перепечатывать без этих примечаний.
9. Класс X лишь потенциально более точен, чем класс 6. Никогда не следует забывать, что теодолит/тахеометр представляет собой сложный прецизионный инструмент, который требует значительной подготовки и регулярной практики, чтобы не допустить серьезных ошибок при его использовании!
10. При составлении координаты съемки должны быть рассчитаны, а не нарисованы от руки с помощью масштабной линейки и транспортира, чтобы получить оценку 5.

Оценки BCRA для записи деталей прохода в пещере

Класс А

Все детали прохождения основаны на памяти.

Класс Б

Детали прохода оценены и записаны в пещере.

Класс С

Детальные измерения производятся только на геодезических станциях.

Класс Д

Детальные измерения, выполненные на геодезических станциях и в других местах, должны 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 обследования:
   • 1А
   • 3Б или 3С
   • 5С или 5Д
   • 6Д
   • 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 приложений под землей.

Несмотря на эти достижения, неисправные инструменты, неточные измерения, ошибки записи или другие факторы все равно могут привести к неточным результатам обследования, и эти ошибки часто трудно обнаружить. Некоторые спелеологи измеряют каждую станцию ​​дважды, записывая заднюю точку на предыдущую станцию ​​в противоположном направлении. Показания обратного компаса, отличающиеся 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 просматривается до исходной точки, полученный линейный график также должен образовывать замкнутую петлю. Любой разрыв между первой и последней станциями называется ошибкой замыкания петли . Если ни одна ошибка не обнаружена, можно предположить, что ошибка замыкания петли вызвана совокупными неточностями, и 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 съемки поверхности между несколькими входами в одну и ту же пещеру.

Использование низкочастотного пещерного радио также может подтвердить точность съемки. Приемный блок на поверхности может определить глубину и местоположение передатчика в пещерном проходе путем измерения геометрии его радиоволн. Съемка поверхности от приемника обратно 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 при съемке. Сегодня компьютерная картография может автоматически перерисовывать карты пещер после исправления данных.

Геодезическое программное обеспечение

Существует большое количество геодезических пакетов, доступных на различных компьютерных платформах, большинство из которых были разработаны спелеологами, имеющими навыки компьютерного программирования. Многие пакеты особенно хорошо справляются с конкретными задачами, и поэтому многие спелеологи не будут выбирать один продукт вместо другого для всех картографических задач.

Популярной программой для проведения осевой съемки является Survex , которая изначально была разработана членами спелеологического клуба Кембриджского университета для обработки данных съемки во время экспедиций клуба в Австрию. Он был выпущен для широкой публики в 1992 году. Затем данные осевой линии можно экспортировать в различные форматы, а детали пещеры прорисовывать 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 съемки, деформирует проходы, чтобы они соответствовали их длине, а это означает, что целые проходы не нужно перерисовывать. В отличие от возможностей 2D-деформации Therion, CaveWhere искажает отрывки в 3D. Сюда входят план деформации и эскизы профиля. CaveWhere также поддерживает замыкание цикла (с использованием Survex) и предоставляет удобный интерфейс для ввода и визуализации данных исследования пещер.

Наземные устройства LiDAR значительно повышают точность и снижаются в цене. Несколько пещер были «сканированы» с использованием устройств LiDAR как «времяпролетного», так и «фазового сдвига». Различия заключаются в относительной точности, доступной для каждого из них. Национальный парк «Пещеры Орегона» был просканирован с помощью LiDAR в августе 2011 года, как и место археологических раскопок в пещерах Пейсли на юго-востоке штата Орегон. Оба были отсканированы с помощью сканера фазового сдвига FARO Focus с точностью +/- 2 мм. Пещеры Орегона были просканированы от главного общественного входа до выхода № 110 и обследованы по кругу до начала. Данные пока не доступны для публичного использования, но копии хранятся как в Службе парков США, так и в компании i-TEN Associates в Портленде, штат Орегон.

Автоматизированные методы

технология подземного географического позиционирования под названием HORTA промышленности используется В последние годы в горнодобывающей . Технология инерциальной навигационной системы использует гироскоп и акселерометр для определения трехмерного положения.

Такие автоматизированные методы обеспечили более чем пятидесятикратное увеличение производительности подземных изысканий, а также получение более точных и детальных карт.

См. также

• Кейв-дайвинг – дайвинг в заполненных водой пещерах.
• Спелеология – развлекательное времяпрепровождение, связанное с исследованием пещерных систем.
• Список самых длинных пещер

Внешние ссылки

• История лазерного сканирования: пещеры Пейсли
• Compass Points , официальный журнал BCRA Cave Surveying Group.
• Обзоры CaveMaps.org , Сборник исследований британских пещер.