EXAMENSARBETE Val av mätinstrument Eli Ellvall 2015 Högskoleexamen Bygg och anläggning Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser (
Val av mätinstrument Eli Ellvall i
Sammanfattning I detta examensarbete jämförs två olika GPS mottagare båda av märket topcon. Först förklaras vad mätteknik är för något, hur det går till samt vilka mätinstrument som används. Sedan har en jämförelse gjorts mellan två mätinstrument, ett gammalt och ett nytt. Saker som jämförs är noggrannheten i mm, kostnaden och hanteringen av utrustningarna. Efter det att jag använt två olika mätinstrument på WSP group insåg jag att det fanns en viss skillnad i noggranhet och användning mellan de två mätinstrumenten. Det visade sig att det nya är nogrannare än det gamla och att hanteringen av det är mycket bättre. Slutsatsen jag dragit av jämförelsen är att det är mycket bättre att investera i ett nytt instrument om man vill ha ett enkelt och noggrant jobb. ii
Innehållsförteckning Sammanfattning... ii 1 Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 1 1.3 Mål... 1 1.4 Avgränsningar... 1 2 Metod... 2 3 Mätteknik... 2 3.1 Vad är mätteknik... 2 3.2 Vad är inmätning?... 2 3.3 Vad är utsättning?... 3 3.4 Vad är GNSS mätning?... 4 3.5 Mätinstrument... 7 3.6 Detaljmätning... 7 4 Jämförelse mellan ett gammalt och ett nytt mätinstrument... 8 5 Resultat... 13 5.1 Noggrannhet... 13 5.2 Ekonomi... 13 5.3 Hantering... 14 6 Slutsats... 15 Referenser... 16 iii
1 Inledning 1.1 Bakgrund I kursen Y0009B ingår det att skriva en rapport som inriktar sig på något område som vi har behandlat i utbildningen Bygg och anläggning som är en 120 HP lång utbildning på Luleå tekniska universitet. Jag har valt att fördjupa mig i mätningsteknik och vad man ska tänka på innan man börjar göra en inmätning på fält. Jag har också valt att jämföra två mätinstrument för att ta reda på vilket som gör mätarens jobb enklare och bättre. 1.2 Syfte Syftet med denna rapport är att få en inblick i hur en mätteknikers jobb går till och vilka instrument man ska använda för att få ett enklare och bättre mätresultat. 1.3 Mål Mitt mål med med examensarbetet är att få mer kunskaper i mätningsteknik och att veta vilka mätinstrument som gör mätteknikers jobb enklare och snabbare. 1.4 Avgränsningar Jag har valt att jämföra två olika GPS mottagare en gammal och en ny med tillhörande Fältdator. 1
2 Metod Jag mätte in några punkter på samma platser med de olika mätinstrumenten för att jämföra noggrannheten. För att göra mätningen mycket noggrant mätte jag in en fix också. En fix är en känd punkt där man kontrollerar instrumenten innan man börjar mäta. Efter det mätte jag också in olika punkter i skogen för att jämföra hanteringen av instrumenten. 3 Mätteknik 3.1 Vad är mätteknik För att kunna utföra mätningar och bedöma kvaliten, måste vi ha grundläggande kunskap om själva mätinstumenten. En av de viktigaste tillämpningarna inom samhällsbyggnadsområdet är detaljmätning. Detaljmätning tillämpas bland annat inom infrastrukturprojekt och förrättningsverksamhet. Alla mätningar är behäftade med en osäkerhet och hur stor denna osäkerhet är beror på kvaliten på instrumenten och val av metod etc. Att behandla dessa osäkerhet är viktigt inom all mätning av geografisk information, till exempel mätning av olika markhöjder. 3.2 Vad är inmätning? Inmätning betyder att en mättekniker mäter in markhöjder och olika objekt för att skapa en terrängmodell för ett byggområde. Ett fungerande fältarbete kräver en väl utförd planering. Detta gäller oavsett om mätningen görs för en nybyggnadskarta eller av fastighetsgränser i samband med en förrättning. 2
Det viktigaste att tänka på vid en inmätning är att: - Bedöma stomnätets/bruknätets kvalitet och täthet. - Välja teknik och metoder. - Definiera kvalitetskraven. - Man måste vara säker på vilka punkter som ska mätas in, hur ska de klassificeras och kodas samt vilka övriga uppgifter som ska samlas in. - Fastställa omfattningen av de kontroller som ska göras. - Genomföra markering och siktröjning. Geodetisk detaljmätning används nästan alltid vid inmätning för framställning av en karta över mindra områden samt för komplettering vid fotogrametrisk framställning. 3.3 Vad är utsättning? Utsättning betyder att man sätter ut markhöjder på ett fältarbete. Vid utsättning av en husgrund eller fastighetsgränser måste man ta reda på: - Vilka ritningar och handlingar som är gällande. - Kontrolleta hur mått har angetts. - Undersöka vad byggnadsbeskrivningen anger avseende utsättning. - Utvärdera stomnätets/primärnätets kvalitet och skick. - Klargöra kraven på dokumentation och befästning/markering. För själva utsättningen gäller att man: - Sätter ut detaljer med höga krav på inbördes läge från samma station. - Väljer en metod som matchar kvalitetskraven. - Bedömer vilka konsekvenser en felutsättning kan få. 3
3.4 Vad är GNSS mätning? Med GNSS ( Global Navigation Satellite System) mätning menas: - Inmätning av olika objekt, t.ex. vid kartläggning eller insamling av data till geografiska databaser. - Utsättning, t.ex. markering av tomgränser eller maskinstyrning i byggprocessen. - Noggrann positionsbestämning av enstaka, välmarkerade punkter, t.ex. stommätning, övervaknings eller deformationsätning. Det finns olika typer av GNSS mätning beroende på 1- hur många mottagare som används. a- Absolutmätning: vid absolutmätning används bara en mottagare. Eventuella fel i satelliternas koordinater påverkar direkt mottagarens position. Absolutmätning kallas också för enkelpunktsmätning. b- Relativmätning: vid relativmätning används två eller flera GNSS mottagare. Positioneringsnoggrannheten är okänslig för fel i satelliternas koordinater. 2- Mottagaren står still eller rör på sig under mätningen. a- Statisk mätning: mottagaren står stilla och gör mätningar under en längre tid på en och samma punkt. b- Kinematisk mätning: mottagaren bestämmer sin position medan den rör på sig. RTK ( Real time kinematic) mätning bygger på samma princip som kinematisk mätning. Den enda skillnaden är att beräkningen sker direkt i fält vilket är en fördel. 4
Den enklaste RTK varianten använder bara en referenstation som skickar RTK korrektioner till en eller flera rörliga mottagare via en radiolänk men nackdelen är att radiolänken har en begränsad räckvidd på några kilometer. Den andra varianten är nätverks- RTK som använder två eller flera referensmottagare vilket har en räckvidd på 60-70 kilometer mellan referensstationerna. I Sverige är lantmäteriet leverantören av nätverks RTK. För att minska mätosäkerheten används korrektioner som sänds ut ifrån ett aktivt referensnät som det svenska referensstationsnätet SWEPOS. Uppgiften för SWEPOS är att tillhandahålla data från GNSS satelliterna för en mängd olika tillämpningar: - Positionsbestämning med centimeter till meternoggrannhet i realtid för navigering och datainsamling för databaser med lägesbunden information. - Positionsbestämning med millimeter till centimeternoggrannhet genom efterberäkning. 5
Täckningsområdet för SWEPOS nätverks- RTK- tjänst ser ut som i figur 1. Figur 1. Täckningsområdet för SWEPOS. Källa: https://swepos.lantmateriet.se/kurserochinfo/dokument/infoblad/om_swepos.pdf 6
3.5 Mätinstrument Det finns olika mätinstrument för olika mätningsarbeten. Teodolit: Teodoliten började tillverkas i slutet av 1700-talet och det gjorde det möjligt att få noggrannare vinkelmätningar än vad man tidigare kunnat utföra. Instrumentet monteras på stativ och horisonteras och sedan kan den används för mätning av vinklar i ett tredimentionellt rum. De teodoliter som änvänds idag skiljer sig inte så mycket ifrån de som tillverkades på 1700-talet. Sjävlklart har den digitaliserats men grundprincipen är densamma. Avvägningsinstrument: Avvägning utförs med hjälp av ett avvägningsinstrument, som har en horisontell siktaxel. Höjdskillnaden bestäms genom att man ställer upp två avvägningsstänger på de punkter som man vill bestämma höjden på med avägningsinstrumentet mitt emellan. I instrumentet läser man först av den bakre stångens värde och därefter den främre stångens värde. Man får fram höjden genom avvägningens grundsamband Bakåt minus framåt 3.6 Detaljmätning Idag sker de flesta detaljmätningar som utförs på marken med GPS/GNSS teknik och den dominerade metoden är nätverks-rtk. Nätverks-RTK användarens utrustning kallas rover. Den består av en mätstång försedd med en satellitmottagare som tar emot signaler via telefon, radio ellet antenn. Det finns också en tillhörande fältdator. Med hjälp av rovern kan man utföra inmätningar och utsättningar som lagrar mätresultatet i fältdatorn. 7
En fördel med denna typ av mätning är att osäkerheten ligger på centimeternivå och att användaren behöver endast en satellitmottagare. En nackdel är att det krävs fri sikt till satelliterna vilket kan vara ett problem när man mäter i tätort eller i en skog. Men man kan undvika problemet genom att bestämma bakåtobjektet med GPS/GNSS och utföra bestämningen av den fria stationen och detaljmätningen med totalstation. På senare tid har en annan kombination lanserats och den kallas för RUFRIS Realtidsuppdaterad fri station. I den här kombinationen är rovern försedd med ett prisma för längdmätningar. Totalstationen mäter riktningar och längder mot rovern samtidigt som rovern mäter mot sateliterna. Man flyttar rovern runt stationen punkt för punkt och får ett ganska stort antal bakåtobjekt och en välbestämd fri station genom konventionell inmätning. 4 Jämförelse mellan ett gammalt och ett nytt mätinstrument Det kommer hela tiden nya modeller av rover och fältdator, men ska man investera i nya eller ska man behålla den gamla? När jag gjorde min praktik på WSP group, använde jag två olika GNSS mottagare med tillhörande fältdator och jag ville jämföra de. Den ena var en äldre version och hette Topcon GR-3 med tillhörande fältdator GRS-1. Den ser ut som i figur 2 nedan. Detaljerad specifikation för mätinstrumentet redovisas i figur 3. 8
Fält dator GRS-1 GNSS reciever GR-3 Figur 2: Topcon mätinstrument, års modell 2008. Bild: Eli Ellvall 9
Figur 3: Spesifikation till GR-3. Källa: http://www.topconpositioning.com/products/product-archive/gr-3 10
Den andra modellen var en nyare version och heter Topcon Hiper v och används med en fält dator som heter pocket-3d. Den ser ut som i figur 4. Detaljerad specifikation för mätinstrumentet redovisas i figur 5. Topcon Hyper V Figur 4: Topcon instrument, årsmodell 2013. Bild: Eli Ellvall Fältdator pocket-3d 11
Figur 5: Spesifikation för Hyper V. Källa: http://www.topconpositioning.com/products/gnss/receivers/hiper-v 12
5 Resultat 5.1 Noggrannhet Som det står på specifikationen så ser vi att Hiper v ha högre noggrannhet än RG-3. Se figur 6. Figur 6. Mätnoggrannhet 5.2 Ekonomi Jag har sökt på olika webbsidor där man säljer mätinstrument och fick följade priser. Priset på en komplett GR-3 instrument varierar mellan 50 000 0ch 60 000 kronor Priset på en komplett Hiper V instrument varierar mellan 70 000 och 80 000 kronor. Källa: http://pentaland.com/?en_topcon,10,2 13
5.3 Hantering Man vet inte hur ett mätinstrument fungerar om man inte har använt det ett par gånger. När jag jobbade med GR-3 och fältdatorn GRS-1 i fält såg jag följande nackdelar eller brister om man kan kalla det så. - Batteritiden på fältdatorn var mycket kort. Efter 40 minuter tog batteriet slut och man var tvungen att ha med 3 extra batterier i fickan. - Batteritiden på GR-3 tog slut efter 3 timmar. - Skärmen hade en dålig kvalite så man kunde knappt se vad man läste och den var pekskärm och man måste använda en pek penna. - Skärmen fryste ofta så man blev tvungen att starta om datorn vilket tog minst 5 minuter. Det värsta var att mottagaren tappade kontakt med satelliterna hela tiden vilket var mycket frustrerande. - När man bär på instrumentet och mäter i flera timmar får man ont i armen därför att att det är tungt. ( både fältdatorn och mottagaren väger ungefär 2.75 kg) Man såg en stor skillnad när man jobbade med Hiper V och fältdatorn pocker-3d. - Batteriet på fältdatorn räckte länge, runt 4 timmar. - Batteritiden på Hiper V höll i 7 timmar. - Skärmen hade en bra kvalite och man kunde använda fingret istället för en penna som på en ipad. - Mottagaren tappade inte fix så ofta som den gamla mätutrustningen. - När man bär på instrumentet och mäter i flera timmar får man inte ont i armen därför att det är lättare än det gamla. (både mottagaren och fältdatorn väger ungefär 2 kg) 14
6 Slutsats Så vilket av de här instrumenten ska man investera i? Det är klart att Hiper V är betydligt dyrare än GR-3 men om man vill ha en smidig och snabb utrustning och ett noggrannare arbete utan stress så rekommenderas det att man investerar i ett nyare instrument. Under min utbildning på LTU, använde vi gamla instrument och vi fick tekniska problem hela tiden vilket gjorde att vi tappade mycket tid. Jag menar, att investera i nya instrument gör inte bara mätteknikers jobb enklare utan det gör lärarens och elevers jobb också lättare. Elever lär sig snabbare och läraren för vidare informationen till sina elever smidigare. 15
Referenser Geodetisk och Fotogrammetrisk mätnings- och beräkningsteknik by lantmäteriet Version 2013-08-23. ( Boken som vi använde under kursen) http://www.indosurveyequipment.com/topcon-gps-system. ( Den här källan visar spesifikationer till mätinstrumenten. (hämtades 2015-02-10) http://pentaland.com/?en_topcon,10,2 ( Den här källan visar priset på olika instrument) (hämtades 2015-02-10) http://www.topconpositioning.com/products/gnss/receivers/hiper-v ( Topcon hemsida. information om instrumenten) (hämtades 2015-02-10) 16